第五章(支撑技术-节点定位)2014优质PPT.ppt

1、5.1.2 5.1.2 基本术语基本术语n跳数跳数（Hop Count）（Hop Count）：两个节点之前间隔的跳段总数，称为两个节点之间的跳数；n锚节点（锚节点（Anchor nodesAnchor nodes）：）：通过自主定位或人工配置的方法已知位置的节点；n未知节点（未知节点（Unknown nodesUnknown nodes）：不能自主定位，需要依靠一定的定位算法和锚节点的位置信息来定位的节点。n邻居节点邻居节点（Neighbor Nodes）（Neighbor Nodes）：传感器节点通信半径内的所有其他节点，称为该节点的邻居节点；n到达时间到达时间（Time of Arriv

2、al（Time of Arrival，TOA）TOA）：信号从一个节点到另一个节点所需要的时间，称为信号到达时间；n到达时间差到达时间差（Time Difference of Arrival（Time Difference of Arrival，TDOA）TDOA）：两种不同传播速度的信号从一个节点到另一个节点所需要的时间之差，成为信号的到达时间差；n到达角度到达角度（Angle of Arrival（Angle of Arrival，AOA）AOA）：节点接收到的信号相对于自身轴线的角度，称为信号相对接收节点的到达角度；5.1.2 5.1.2 基本术语基本术语n视线关系视线关系（Line o

3、f Sight（Line of Sight，LOS）LOS）：两个节点间没有任何障碍物间隔，能够直接通信，称为两个节点间存在视线关系；n非视线关系非视线关系（No LOS（No LOS，NLOS）NLOS）：两个节点之间存在障碍物；n接收信号接收信号强度指示强度指示（Received Signal Strength Indicator（Received Signal Strength Indicator，RSSI）RSSI）：节点接牧到无线信号的强度大小，称为接收信号强度的指示。5.1.3 5.1.3 应用领域应用领域对于大多数应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。传感器节点必须明确

4、自身位置才能详细说明：“在什么位置或区域发生了特定事件”，实现对外部目标的定位和追踪。另一方面，了解传感器节点位置信息还可以提高路由效率，为网络提供命名空间，向部署者报告网络的覆盖质量，实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自配置等。在现实应用中，无线传感器网络的定位技术可以应用在许多重要的领域，几乎包括所有无线传感器技术能够应用到的领域，包括传统应用有军事，监控，应急，环境，防空等领域，新兴应用将涉及家用，企业管理，保健，交通等领域。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类近年来出现了多种定位算法，在特定条件下，某些算法在某些性能指标上可能优于其它算法，而在其它方面可能处于劣势。在一定意义

5、下，具有普遍性的公认为最优秀的定位算法目前尚未产生。尽管无线传感器网络自身定位系统和算法的分类还没有一个统一的标准，也不一定适用于每一种定位系统和算法，但下面这些分类方法能在一定程度上刻画不同定位技术的特点。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类n绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位按照定位结果是否为绝对坐标，可分为绝对定位与相对定位。绝对定位的定位结果是一个标准的坐标位置，如经纬度。而相对定位通常是以网络中部分节点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。绝对定位可为网络提供唯一的命名空问，受节点移动性影响较小，有更广泛的应用领域。但研究发现，在相对定位的基础上也能够实现部分路由协议，尤

6、其是基于地理位置的路由，而且相对定位不需要锚节点。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类n基于测距定位和无需测距定位基于测距定位和无需测距定位根据是否采用测距，分为基于测距（Range-based）的算法和无测距（Range-free）的定位算法。无测距定位时，节点不装配测距或测角设备，硬件成本低，但相对基于测距的算法则定位精度稍差。对大多数应用如路由和目标追踪等，误差小于40仍可满足要求，无测距定位有着明显的成本优势。无测距的定位算法仅依赖所接收的通信消息，但需要锚节点配合，如质心算法、APIT算法、DV-HOP算法、Amophous、凸规划和MDS-MAP等。其精度一般取决于锚节

7、点配置精度和锚节点的配置密度。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类基于距离的定位算法需要测量相邻节点间的绝对距离或方位，并利用节点间的实际距离来计算未知节点的位置。基于距离的定位算法常用的测距技术有RSSI、TOA、TDOA、AOA等。RSSI虽然符合低功率、低成本的要求，但有可能产生50的测距误差；TOA需要节点间精确的时间同步，无法用于松散耦合定位系统；采用超声波的TDOA和TOA技术受限于超声波传播距离有限和非视距问题对超声波等信号的传播影响；AOA也受外界环境影响，而且需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点。除上述测距技术的局限性外，基于测距的定位机制使用各

8、种算法来减小测距误差对定位的影响，包括多次测量、循环定位等，这些都要产生大量计算和通信开销。所以基于测距的定位机制虽在定位精度上有可取之处，却并不适用于许多应用领域（低功耗、低成本）。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类n集中式计算定位与分布式计算定位集中式计算定位与分布式计算定位集中式计算（Centralized Computation）就是指把所需信息传送到某个中心节点（例如一台服务器），并在那里进行节点定位计算的方式。分布式计算（Distributed Computation）是指依赖节点间的信息交换和协调，节点自行计算的定位方式。集中式计算的优点在于，从全局角度统筹规划，计

9、算量和存储量几乎没有限制，可获得相对精确的位置估算。它的缺点包括与中心节点位置较近的节点会因为通信量大而过早消耗完电能，导致整个网络与中心节点信息交流的中断，无法实时定位等。相对于集中式算法，分布式算法有更为广泛的应用。分布式算法也称并发式算法，即定位过程只需与邻居节点进行通信，计算在本节点处完成。除上述集中式以外的其它算法均为分布式定位算法。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类n物理定位与符号定位物理定位与符号定位按照定位系统提供的两种类型的定位结果：物理位置（Physical Positjon）和符号位置（Symbolic Location），分为物理定位与符号定位。例如，某个

10、节点位于某个经纬度就是物理位置；而某个节点在建筑物的某个房间就是符号位置。一定条件下，物理定位和符号定位可以相互转换。与物理定位相比，符号定位更适于某些特定的应用场合，例如，在安装有无线烟火传感器网络的智能建筑物中，管理者更关心某个房间或区域是否有火警信号，而不是火警发生地的经纬度。大多数定位系统和算法都提供物理定位服务，符号定位的典型系统和算法有Active Badge、微软的Easy Living等，MIT的Cricket定位系统则可根据配置实现两种不同形式的定位。5.1.4 5.1.4 定位算法分类定位算法分类n紧密耦合与松散耦合定位紧密耦合与松散耦合定位紧密耦合（Tightly Cou

11、pled）定位系统，是指锚节点不仅被仔细地部署在固定的位置，并且通过有线介质连接到中心控制器；而松散型定位（Loosely Coupled）系统的节点采用无中心控制器的分布式无线协调方式。紧密耦合定位系统适用于室内环境，具有较高的精确性和实时性，时间同步和锚节点间的协调问题容易解决。典型的紧密耦合定位系统包括AT&T的Active Bat系统和Active Badge，HiBall Tracker等。紧密耦合定位系统的部署策略限制了系统的可扩展性，无法应用于布线工作不可行的室外环境。近年来提出的许多定位系统和算法，如Cricket，AHlos等都属于松散耦合型解决方案。它们以牺牲紧密耦合系统的

12、精确性为代价而获得了部署的灵活性，依赖节点问的协调和信息交换实现定位。5.1.5 5.1.5 定位算法特点及要求定位算法特点及要求在传感器网络中，传感器节点能量有限、可靠性差、节点数量规模大且随机布放、无线模块的通信距离有限，对定位算法和定位技术提出了很高的要求。传感器网络的定位算法通常要求具备以下特点：（1）自组织性：传感器网络的节点随机分布，不能依靠全局的基础设施协助定位。（2）健壮性：传感器节点的硬件配置低、能量少、可靠性差、测量距离时会产生误差，算法必须具有良好的容错性。（3）能量高效：尽可能地减少算法中计算的复杂性，减少节点间的通信开销，以尽量延长网络的生存周期。（4）分布式计算：每

13、个节点尽量计算自身位置，不能将所有信息传送到某个节点进行集中计算。5.1.6 5.1.6 性能评价性能评价无线传感器网络定位算法的性能直接影响其可用性，如何评价它们是一个需要深入研究的问题。下面定性地讨论几个常用的评价标准。（1）定位精度定位精度。定位技术首要的评价指标就是定位精度，一般用误差值与节点无线射程的比例表示，例如，定位精度为20表示定位误差相当于节点无线射程的20。也有部分定位系统将二维网络部署区域划分为网格，其定位结果的精度也就是网格的大小，如微软的RADAR，Wireless Corporation的RadioCamera等。（2）规模规模。不同的定位系统或算法也许可在园区内、建筑物内、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或在一段时间内，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。例如，RADAR系统仅可在建筑物的一层内实现目标定位，剑桥的Active Office定位系统每200ms定位一个节点。5.1.6 5.1.6 性能评价性能评价（3）锚节点密度锚节点密度。锚节点定位通常依赖人工部署或GPS实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10的节点是