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摘 要：叙述了无线传感器网络定位的基本概念、定位算法分类。详细介绍了基于测距技术的定位系统。由于的定位算法都有其针对的应用领域，需要通过综合考虑应用背景和定位性能，来选择最合适的算法。
关键词：无线传感器网络；定位算法；定位系统
一、定位技术和定位算法基本概念
在无线传感器网络定位技术的研究中，与定位技术相关的主要术语有跳数、最短路径、跳段距离、视线关系、非视线关系、邻居节点、网络连通度、节点的度、测距误差、定位误差。在无线传感器网络中，定位算法的分类通常有以下几种：物理定位与符号定位；绝对定位与相对定位；集中式定位与分布式定位；粗粒度定位与细粒度定位；基于距离的定位算法和与距离无关的定位；基于距离的和与距离无关的定位算法。与距离无关的定位算法受到锚节点密度和网络连通度的影响较大，在各向异性的网络中其性能变化较大，但这种定位算法无需专门的测距设备或手段降低了对节点硬件的要求。
二、基于距离的定位算法综述
典型的基于距离或角度的定位算法通常分为两个步骤，首先利用一定的测量角度或测量距离的手段和方法获得未知节点到锚节点的距离。当未知节点获得三个或三个以上的到锚节点的距离后，则进入第二个步骤，即利用相关的坐标计算方法计算未知节点的坐标。
测量节点之间角度或距离的方法有很多，直接测距的方法有到达角度（Angle of Arrival， AOA），到达时间（Time of Arrival， TOA）和往返传播时间（Roundtrip Time of Flight， RTOF），到达时间差（Time Difference on Arrival， TDOA） ，以及接收信号强度（Received Signal Strength Indicator， RSSI） 等。此外，还有一些间接测距的定位算法，如DV-Hop和DV-Distance，由于此类算法不需要测距手段的支持，也被归于与距离无关的定位算法。
此外，间接测距的方法有DV-Hop算法，首先根据锚节点之间的距离和最短路径计算网络的平均跳距，再使用典型的距离矢量协议，使网络中所有的节点获得到锚节点的最小跳数，未知节点在获得锚节点广播的平均跳距后，将最小跳数与平均跳距的乘积作为到锚节点的距离估算，从而间接地得到到锚节点的距离。
三、典型的定位系统
较为典型的定位系统有RADAR，Active Badge，Active office，Bat System，Cricket和SpotON等。
Microsoft的RADAR定位系统首次利用了场景分析技术，该方法是通过对特定环境下的无线信号衰落特征值进行处理实现的，首先建立离线的场景信号强度数据库，在整个待定位场景中选择一些特征点并在各个点的位置上建立位置和信号强度关系的离线数据库；在定位的实时阶段根据测得的信号强度和数据库中记录的信号强度进行比较，信号强度均方差最小的那个点的坐标即为目标点的位置。为了提高精度，在实际定位时，可以对多次测得的信号强度取平均值或者取几个可能的点所围成的几何区域的质心作为目标点的位置估计。RADAR系统实现了办公室范围内3m以内的实时定位，并提出了WAF模型作为RSS估测距离的模型。
Active Badge定位系统是最早为大楼内定位而设计的便携式的定位系统。每个便携设备携带一个Badge在大楼内活动，周期性地主动发射红外信号，该信号中包含了全局唯一的身份标识信息，附近的接收器捕捉到信息，并将自身的位置作为Badge的位置通过网络送往服务器。Active Badge的定位精度就为每一间房的范围。在引入Active Badge后另一种与之类似的系统Active office和Bat System被设计出，系统分别使用了超声波的TOA测距技术和无线信号和超声波的TDOA测距技术。接收器以阵列的方式被安放在位置已知的天花板上，需要定位时中央控制器根据测得的到移动目标的距离求解多边问题，从而得到目标的位置估计。Active office和Bat System均拥有很高的定位精度，前者平均95%的定位误差在8cm以内，而后者的最高精度也能达到3cm。
Cricket定位系统用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置，它由部署在建筑物内位置固定的锚节点和需要定位的人或物体携带的未知节点组成。由锚节点随机地同时发射RF和超声波信号，RF信号中包含该锚节点的未知和ID，未知节点使用TDOA技术测量其与锚节点的距离，当它能够获得三个以上锚节点的距离时即使用三边测量法提供物理定位，否则就以房间为单位提供符号定位。
这些早期的定位系统主要偏重于基础设施，未知节点均通过一跳直接和锚节点通信。这些定位系统的特点是适用于室内环境，具有较高的精确性和实时性，但这种部署方式限制了系统的扩展性能，不能适合室外定位，也并不能达到真正意义上无线传感器网络的对定位的要求。
总之，现有的定位算法都有其针对的应用领域，没有一种算法是绝对最优的，因此需要通过综合考虑应用背景和定位性能，来选择最合适的算法。
参考文献
[1] 孙利民， 李建中， 陈渝， 朱红松. 《无线传感器网络》 [M]. 北京：清华大学出版社， 2005.5. 135～156.
[2] Holger Karl， Andreas Willing. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks [M]. House of Electronics Industry， 2007.1. 198～215.
[3] 李晓维， 徐勇军， 任丰原. 无线传感器网络技术 [M]. 北京理工大学出版社， 2007. 191～218.
[4] 于海斌， 曾鹏，梁韡. 智能无线传感器网络系统 [M]. 北京：科学出版社， 2006.9. 5～22.
[5] JEFFREY H， GAETANO B，ROY W. SpotON： An indoor 3D localization sensing technology based on RF signal strength [R]，Tech. Rep： UW CSE，2000. 1～5.
作者简介：
闵辉（1983-），男，江西南昌人，江西科技学院商学院，本科，讲师，研究方向：无线传感器网络。
关键词：无线传感器网络；定位算法；定位系统
一、定位技术和定位算法基本概念
在无线传感器网络定位技术的研究中，与定位技术相关的主要术语有跳数、最短路径、跳段距离、视线关系、非视线关系、邻居节点、网络连通度、节点的度、测距误差、定位误差。在无线传感器网络中，定位算法的分类通常有以下几种：物理定位与符号定位；绝对定位与相对定位；集中式定位与分布式定位；粗粒度定位与细粒度定位；基于距离的定位算法和与距离无关的定位；基于距离的和与距离无关的定位算法。与距离无关的定位算法受到锚节点密度和网络连通度的影响较大，在各向异性的网络中其性能变化较大，但这种定位算法无需专门的测距设备或手段降低了对节点硬件的要求。
二、基于距离的定位算法综述
典型的基于距离或角度的定位算法通常分为两个步骤，首先利用一定的测量角度或测量距离的手段和方法获得未知节点到锚节点的距离。当未知节点获得三个或三个以上的到锚节点的距离后，则进入第二个步骤，即利用相关的坐标计算方法计算未知节点的坐标。
测量节点之间角度或距离的方法有很多，直接测距的方法有到达角度（Angle of Arrival， AOA），到达时间（Time of Arrival， TOA）和往返传播时间（Roundtrip Time of Flight， RTOF），到达时间差（Time Difference on Arrival， TDOA） ，以及接收信号强度（Received Signal Strength Indicator， RSSI） 等。此外，还有一些间接测距的定位算法，如DV-Hop和DV-Distance，由于此类算法不需要测距手段的支持，也被归于与距离无关的定位算法。
此外，间接测距的方法有DV-Hop算法，首先根据锚节点之间的距离和最短路径计算网络的平均跳距，再使用典型的距离矢量协议，使网络中所有的节点获得到锚节点的最小跳数，未知节点在获得锚节点广播的平均跳距后，将最小跳数与平均跳距的乘积作为到锚节点的距离估算，从而间接地得到到锚节点的距离。
三、典型的定位系统
较为典型的定位系统有RADAR，Active Badge，Active office，Bat System，Cricket和SpotON等。
Microsoft的RADAR定位系统首次利用了场景分析技术，该方法是通过对特定环境下的无线信号衰落特征值进行处理实现的，首先建立离线的场景信号强度数据库，在整个待定位场景中选择一些特征点并在各个点的位置上建立位置和信号强度关系的离线数据库；在定位的实时阶段根据测得的信号强度和数据库中记录的信号强度进行比较，信号强度均方差最小的那个点的坐标即为目标点的位置。为了提高精度，在实际定位时，可以对多次测得的信号强度取平均值或者取几个可能的点所围成的几何区域的质心作为目标点的位置估计。RADAR系统实现了办公室范围内3m以内的实时定位，并提出了WAF模型作为RSS估测距离的模型。
Active Badge定位系统是最早为大楼内定位而设计的便携式的定位系统。每个便携设备携带一个Badge在大楼内活动，周期性地主动发射红外信号，该信号中包含了全局唯一的身份标识信息，附近的接收器捕捉到信息，并将自身的位置作为Badge的位置通过网络送往服务器。Active Badge的定位精度就为每一间房的范围。在引入Active Badge后另一种与之类似的系统Active office和Bat System被设计出，系统分别使用了超声波的TOA测距技术和无线信号和超声波的TDOA测距技术。接收器以阵列的方式被安放在位置已知的天花板上，需要定位时中央控制器根据测得的到移动目标的距离求解多边问题，从而得到目标的位置估计。Active office和Bat System均拥有很高的定位精度，前者平均95%的定位误差在8cm以内，而后者的最高精度也能达到3cm。
Cricket定位系统用来确定移动或静止节点在大楼内的具体所在房间位置，它由部署在建筑物内位置固定的锚节点和需要定位的人或物体携带的未知节点组成。由锚节点随机地同时发射RF和超声波信号，RF信号中包含该锚节点的未知和ID，未知节点使用TDOA技术测量其与锚节点的距离，当它能够获得三个以上锚节点的距离时即使用三边测量法提供物理定位，否则就以房间为单位提供符号定位。
这些早期的定位系统主要偏重于基础设施，未知节点均通过一跳直接和锚节点通信。这些定位系统的特点是适用于室内环境，具有较高的精确性和实时性，但这种部署方式限制了系统的扩展性能，不能适合室外定位，也并不能达到真正意义上无线传感器网络的对定位的要求。
总之，现有的定位算法都有其针对的应用领域，没有一种算法是绝对最优的，因此需要通过综合考虑应用背景和定位性能，来选择最合适的算法。
参考文献
[1] 孙利民， 李建中， 陈渝， 朱红松. 《无线传感器网络》 [M]. 北京：清华大学出版社， 2005.5. 135～156.
[2] Holger Karl， Andreas Willing. Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks [M]. House of Electronics Industry， 2007.1. 198～215.
[3] 李晓维， 徐勇军， 任丰原. 无线传感器网络技术 [M]. 北京理工大学出版社， 2007. 191～218.
[4] 于海斌， 曾鹏，梁韡. 智能无线传感器网络系统 [M]. 北京：科学出版社， 2006.9. 5～22.
[5] JEFFREY H， GAETANO B，ROY W. SpotON： An indoor 3D localization sensing technology based on RF signal strength [R]，Tech. Rep： UW CSE，2000. 1～5.
作者简介：
闵辉（1983-），男，江西南昌人，江西科技学院商学院，本科，讲师，研究方向：无线传感器网络。