隨機部署無線傳感器網(wǎng)絡定位技術研究

史志軍

摘要：隨著經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術的提高，無線傳感網(wǎng)絡作為一種新型的信息獲取技術，在很多領域都具有相當大的作用。而定位問題是無線傳感網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，W S Ns)研究中的基礎性問題之一。本文從多方面對隨機部署無線傳感器網(wǎng)絡定位進行探討。

關鍵詞：隨機部署；無線傳感器；網(wǎng)絡定位1算法介紹

自適應密度感知定位算法(Adaptive density．Sensing localization algorithm，ADSL)采用移動信標節(jié)點定位機制，與現(xiàn)有的移動信標節(jié)點靜態(tài)路徑規(guī)劃方法相比，本文提出的方法能夠根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的形狀和節(jié)點分布密度的不同，按網(wǎng)絡實際需要動態(tài)添加虛擬信標節(jié)點，在隨機部署無線傳感器網(wǎng)絡中具有通用性。密度感知過程即通過信標節(jié)點感知范圍內(nèi)的普通節(jié)點利用自身的鄰居問通信關系，統(tǒng)計自身鄰居節(jié)點數(shù)以及鄰居節(jié)點的信標覆蓋情況，并將統(tǒng)計信息回饋給信標節(jié)點。信標節(jié)點根據(jù)其感知范圍內(nèi)收到的普通節(jié)點發(fā)送的回饋消息，計算出下一步移動決策方向上的區(qū)域節(jié)點密度參數(shù)，最后計算出下一步所要移動的步長。

在對移動信標技術的研究過程中發(fā)現(xiàn)，目前有關移動信標節(jié)點動態(tài)路徑規(guī)劃的研究中仍存在兩個共性問題：虛擬信標節(jié)點共線問題和信標移動路徑冗余問題。前者可導致未知節(jié)點定位精度下降，后者則帶來了不必要的能量開銷。針對信標節(jié)點共線問題，本文的ADSL算法提出傾斜移動信標節(jié)點對的方法進行解決，此外，本文提出的ADSL算法中的移動信標節(jié)點采用動態(tài)螺旋方式路徑從網(wǎng)絡邊緣逐漸向網(wǎng)絡中心進行移動，移動信標節(jié)點攜帶定位天線對不同方向上的節(jié)點密度進行感知，從而對路徑中的網(wǎng)絡“空洞”進行繞行。為了避免移動信標進入“死角”，ADSL算法還采取路徑可回溯方式，并限制連續(xù)可回溯路徑次數(shù)。

2節(jié)點數(shù)量優(yōu)化

傳感器節(jié)點布設模型主要是研究傳感器節(jié)點分布密度問題。要完成對監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)采集，應該拋灑適當?shù)墓?jié)點數(shù)量，即決定在一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)至少需要布設多少個節(jié)點，才能以一定的概率覆蓋監(jiān)測區(qū)域。理論上，在一個監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布設足夠多的節(jié)點，可以對該區(qū)域完全覆蓋，但傳感器節(jié)點性能和價格因素的考慮，不可能隨意拋灑節(jié)點數(shù)量，需要有一個布設數(shù)量參考值。傳感器節(jié)點通常以空中拋灑方式布設，在地面的分布狀態(tài)符合呈泊松分布。

3感知參數(shù)及移動步長計算

感知參數(shù)為節(jié)點移動步長計算的參考值，在一個感知周期內(nèi)，其根據(jù)信標節(jié)點感知范圍內(nèi)的網(wǎng)絡節(jié)點以及感知邊緣的網(wǎng)絡節(jié)點對新虛擬信標的需求程度來決定。

影響網(wǎng)絡節(jié)點對虛擬信標需求程度的因素主要有兩個：一是節(jié)點連通度，一定區(qū)域中節(jié)點的分布密度取決于節(jié)點連通度，而節(jié)點分布密度影響著信標節(jié)點要移動的距離長度，移動方向上節(jié)點分布密度越低，則信標下一步可以移動相對較長的距離，反之則移動距離可相對較短；二是節(jié)點的信標參考度，信標參考度越低，則節(jié)點對新虛擬信標節(jié)點的需求程度越大，反之則對虛擬信標節(jié)點的需求程度越小，若節(jié)點已獲得3個或3個以上虛擬信標信息，便可完成自身定位，因此可視為其對新虛擬信標的需求程度為零。

4性能評價參數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位算法的好壞通常通過定位精度及能量消耗程度來評價，隨著基于移動信標的定位方法被提出，移動信標路徑規(guī)劃的目的是為了更好的在無線傳感器網(wǎng)絡中布撤虛擬信標節(jié)點，從而為未知節(jié)點提供良好的定位，而在基于移動信標的定位方法中，對于定位精度和能量消耗的評價可轉(zhuǎn)化為以下幾個評價參數(shù)。⑴虛擬信標個數(shù)：虛擬信標個數(shù)也稱移動信標節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡中廣播自身位置消息的次數(shù)。該參數(shù)體現(xiàn)了節(jié)點通信次數(shù)，因此虛擬信標個數(shù)與網(wǎng)絡節(jié)點能量消耗程度成正比。⑵信標覆蓋度：在無線傳感器網(wǎng)絡中，收到虛擬信標消息的普通網(wǎng)絡節(jié)點占普通網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)的百分比。信標覆蓋度越高說明移動信標遍歷網(wǎng)絡節(jié)點越全面，算法性能越好。⑶定位覆蓋率：在無線傳感器網(wǎng)絡中，收到3個或3個以上虛擬信標的普通網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)占普通網(wǎng)絡節(jié)點總數(shù)的百分比。未知節(jié)點至少獲得3個信標位置信息才能完成自身的位置估計，該參數(shù)體現(xiàn)了節(jié)點的定位成功率。

5定位算法比較

基于距離的定位機制由于實際測量節(jié)點間的距離或角度，通常定位精度相對較高，但對節(jié)點的硬件也提出了很高的要求，定位過程中消耗的能量相對多。使用聲波，超聲波，無線電波等進行距離或角度的測量，使得基于距離的定位算法易受溫度、濕度障礙物等環(huán)境因素的影響；與距離無關的定位機制無需測量節(jié)點間的絕對距離或方位，因而降低了對節(jié)點硬件的要求，而且定位性能受環(huán)境因素的影響小，雖然定位誤差相應有所增加，但定位精度能夠滿足多數(shù)傳感器網(wǎng)絡應用的要求，是目前大家普遍重點關注的定位機制。

總的來說，不基于測距的定位機制屬于粗精度定位機制，然而粗精度定位對于大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡的應用已經(jīng)足夠，研究表明，當定位誤差小于傳感器節(jié)點無線通信半徑的40％時，定位誤差對路由性能和目標追蹤精確度的影響不是很大。

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[2]顧學邁.無線傳感器網(wǎng)絡中適于協(xié)作定位的全局節(jié)點選擇.華南理工大學學報（自然科學版）,2013年7期,第31頁.