摘 要： 首先介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的相關(guān)術(shù)語、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等基本概念及定位算法的分類方法； 重點(diǎn)從基于測(cè)距和非測(cè)距兩個(gè)方面介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要定位方法， 并研究和分析若干新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位方法， 主要包括基于移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)的定位算法、三維定位算法和智能定位算法。從實(shí)用性、應(yīng)用環(huán)境、硬件條件、供能及安全隱私等方面出發(fā)總結(jié)當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)存在問題并給出可行的解決方案后， 展望未來的研究前景與應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)。

1 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、入侵監(jiān)測(cè)及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。然而， 無論是在軍事偵察或地理環(huán)境監(jiān)測(cè)， 還是交通路況監(jiān)測(cè)或醫(yī)療衛(wèi)生中對(duì)病人的跟蹤等應(yīng)用場(chǎng)合， 很多獲取的監(jiān)測(cè)信息需要附帶相應(yīng)的位置信息， 否則， 這些數(shù)據(jù)就是不確切的，甚至有時(shí)候會(huì)失去采集的意義， 因此網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)自身位置信息的獲取是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。首先， 傳感器節(jié)點(diǎn)必須明確自身位置才能詳細(xì)說明“在什么位置發(fā)什么了什么事件”， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部目標(biāo)的定位和跟蹤； 其次， 了解傳感器節(jié)點(diǎn)的位置分布狀況可以對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的路由效率提供幫助， 從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖詣?dòng)配置， 改善整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。因此， 必須采取一定的機(jī)制或算法來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的定位。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位最簡單的方法是為每個(gè)節(jié)點(diǎn)裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS） 接收器， 用以確定節(jié)點(diǎn)位置。但是， 由于經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)點(diǎn)能量制約和GPS 對(duì)于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制， 導(dǎo)致方案的可行性較差。因此， 一般只有少量節(jié)點(diǎn)通過裝載GPS 或通過預(yù)先部署在特定位置的方式獲取自身坐標(biāo)。另外， 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)定位涉及很多方面的內(nèi)容， 包括定位精度、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、錨節(jié)點(diǎn)密度、網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和魯棒性以及功耗等， 如何平衡各種關(guān)系對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位問題非常具有挑戰(zhàn)性?？梢哉f無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身定位問題在很大程度上決定著其應(yīng)用前景。因此， 研究節(jié)點(diǎn)定位問題不僅必要， 而且具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 WSN 定位技術(shù)基本概念

2.1 定位方法的相關(guān)術(shù)語

1） 錨節(jié)點(diǎn)（anchors）： 也稱為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、燈塔節(jié)點(diǎn)等， 可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點(diǎn)；

2） 普通節(jié)點(diǎn)（normal nodes）： 也稱為未知節(jié)點(diǎn)或待定位節(jié)點(diǎn)， 預(yù)先不知道自身位置， 需使用錨節(jié)點(diǎn)的位置信息并運(yùn)用一定的算法得到估計(jì)位置的節(jié)點(diǎn)；

3） 鄰居節(jié)點(diǎn)（neighbor nodes）： 傳感器節(jié)點(diǎn)通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)；

4） 跳數(shù)（hop count）： 兩節(jié)點(diǎn)間的跳段總數(shù)；

5） 跳段距離（hop diSTance）： 兩節(jié)點(diǎn)之間的每一跳距離之和；

6） 連通度（cONnectivity）： 一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目；

7） 基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）： 協(xié)助節(jié)點(diǎn)定位且已知自身位置的固定設(shè)備， 如衛(wèi)星基站、GPS 等。

2.2 定位方法的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要分為7 種， 下面分別進(jìn)行介紹。

1） 定位精度。定位技術(shù)首要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是定位精確度， 其又分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度是測(cè)量的坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏差， 一般用長度計(jì)量單位表示。相對(duì)誤差一般用誤差值與節(jié)點(diǎn)無線射程的比例表示， 定位誤差越小定位精確度越高。

2） 規(guī)模。不同的定位系統(tǒng)或算法也許可以在一棟樓房、一層建筑物或僅僅是一個(gè)房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)定位。

另外， 給定一定數(shù)量的基礎(chǔ)設(shè)施或一段時(shí)間， 一種技術(shù)可以定位多少目標(biāo)也是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3） 錨節(jié)點(diǎn)密度。錨節(jié)點(diǎn)定位通常依賴人工部署或使用GPS 實(shí)現(xiàn)。人工部署錨節(jié)點(diǎn)的方式不僅受網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境的限制， 還嚴(yán)重制約了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的可擴(kuò)展性。而使用GPS 定位， 錨節(jié)點(diǎn)的費(fèi)用會(huì)比普通節(jié)點(diǎn)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)， 這意味著即使僅有10%的節(jié)點(diǎn)是錨節(jié)點(diǎn)， 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格也將增加10 倍， 另外， 定位精度隨錨節(jié)點(diǎn)密度的增加而提高的范圍有限， 當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度后不會(huì)再提高。因此， 錨節(jié)點(diǎn)密度也是評(píng)價(jià)定位系統(tǒng)和算法性能的重要指標(biāo)之一。

4） 節(jié)點(diǎn)密度。節(jié)點(diǎn)密度通常以網(wǎng)絡(luò)的平均連通度來表示， 許多定位算法的精度受節(jié)點(diǎn)密度的影響。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 節(jié)點(diǎn)密度增大不僅意味著網(wǎng)絡(luò)部署費(fèi)用的增加， 而且會(huì)因?yàn)楣?jié)點(diǎn)間的通信沖突問題帶來有限帶寬的阻塞。

5） 容錯(cuò)性和自適應(yīng)性。定位系統(tǒng)和算法都需要比較理想的無線通信環(huán)境和可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

而真實(shí)環(huán)境往往比較復(fù)雜， 且會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效或節(jié)點(diǎn)硬件受精度限制而造成距離或角度測(cè)量誤差過大等問題， 此時(shí)， 物理地維護(hù)或替換節(jié)點(diǎn)或使用其他高精度的測(cè)量手段常常是困難或不可行的。因此， 定位系統(tǒng)和算法必須有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和自適應(yīng)性， 能夠通過自動(dòng)調(diào)整或重構(gòu)糾正錯(cuò)誤， 對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障管理， 減小各種誤差的影響。

6） 功耗。功耗是對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)影響最大的因素之一。由于傳感器節(jié)點(diǎn)的電池能量有限， 因此在保證定位精確度的前提下， 與功耗密切相關(guān)的定位所需的計(jì)算量、通信開銷、存儲(chǔ)開銷、時(shí)間復(fù)雜性是一組關(guān)鍵性指標(biāo)。

7） 代價(jià)。定位系統(tǒng)或算法的代價(jià)可從不同的方面來評(píng)價(jià)。時(shí)間代價(jià)包括一個(gè)系統(tǒng)的安裝時(shí)間、配置時(shí)間、定位所需時(shí)間； 空間代價(jià)包括一個(gè)定位系統(tǒng)或算法所需的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、硬件尺寸等； 資金代價(jià)則包括實(shí)現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的基礎(chǔ)設(shè)施、節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用。

上述7 個(gè)性能指標(biāo)不僅是評(píng)價(jià)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位系統(tǒng)和算法的標(biāo)準(zhǔn)， 也是其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的優(yōu)化， 有大量的研究工作需要完成。同時(shí)， 這些性能指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)， 必須根據(jù)應(yīng)用的具體需求做出權(quán)衡以設(shè)計(jì)合適的定位技術(shù)。

2) 基于信號(hào)到達(dá)角度的方法

AOA 測(cè)距技術(shù)依靠在節(jié)點(diǎn)上安裝天線陣列來獲得角度信息。由于大部分節(jié)點(diǎn)的天線都是全向的， 無法區(qū)分信號(hào)來自于哪個(gè)方向。因此該技術(shù)需要特殊的硬件設(shè)備如天線陣列或有向天線等來支持。

優(yōu)點(diǎn)： 能夠取得不錯(cuò)的精度。

缺點(diǎn)： 傳感節(jié)點(diǎn)最耗能的部分就是通信模塊，所以裝有天線陣列的節(jié)點(diǎn)的耗能、尺寸以及價(jià)格都要超過普通的傳感節(jié)點(diǎn)， 與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本和低能耗的特性相違背， 所以實(shí)用性較差。

關(guān)于AOA 定位的文獻(xiàn)比較少，最早提出在室內(nèi)采集方向信息， 并以此實(shí)現(xiàn)定位的方法，它的硬件部分包括微控制器、RF 接收器、5 個(gè)排成“V”型的超聲波接收器， 其測(cè)量誤差精度為5°。隨后， 一些學(xué)者提出了在只有部分節(jié)點(diǎn)有定位能力的情況下確定所有節(jié)點(diǎn)的方向和位置信息的算法。

3) 基于接收信號(hào)強(qiáng)度的方法

RSSI 是在已知發(fā)射功率的前提下， 接收節(jié)點(diǎn)測(cè)量接收功率， 計(jì)算傳播損耗， 并使用信號(hào)傳播模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。

優(yōu)點(diǎn)： 低成本。每個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)都具有通信模塊， 獲取RSSI 值十分容易， 無需額外硬件。

缺點(diǎn)： 1) 錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量需求多。由于RSSI 值在實(shí)際應(yīng)用中的規(guī)律性較差， 使得利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法在定位精度以及實(shí)用性上存在缺陷。所以為了達(dá)到較高的定位精度， 利用RSSI 信息進(jìn)行定位的算法通常需要較多數(shù)量的錨節(jié)點(diǎn)。2) 多路徑反射、非視線問題等因素都會(huì)影響距離測(cè)量的精度。

早期的RSSI 距離測(cè)量方法有Hightower 等人設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位SpotON tags 系統(tǒng)， 通過RSSI 方法來估計(jì)兩點(diǎn)間的距離， 通過節(jié)點(diǎn)間的相互位置來進(jìn)行定位， 在邊長3 m 的立方體內(nèi)， 其定位精度在1 m 以內(nèi)。目前， 基于RSSI 值的距離測(cè)量方法可以分為2 種， 一種是需要預(yù)先測(cè)試環(huán)境信息的方法， 即在實(shí)驗(yàn)開始前， 對(duì)定位的區(qū)域進(jìn)行大量的RSSI 值測(cè)試，將不同點(diǎn)得到的RSSI 值保存到數(shù)據(jù)庫中， 建成場(chǎng)強(qiáng)圖或擬合曲線， 在實(shí)際測(cè)試時(shí)查詢和調(diào)用。另外一種是無需預(yù)先測(cè)試環(huán)境信息的方法， 直接在定位區(qū)域進(jìn)行節(jié)點(diǎn)布置和定位， 如雙曲線模型法，迭代的分布式算法， 結(jié)合露珠洪泛思想引入RSSI 機(jī)制的HCRL(hop-count-ratio based localization)算法等。

總體來說， 需要預(yù)先測(cè)試環(huán)境參數(shù)的方法在實(shí)際定位中計(jì)算量小， 這類方法只需要簡單的查表或根據(jù)擬合曲線進(jìn)行計(jì)算， 其缺點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)前需要做大量的準(zhǔn)備工作， 而且一旦環(huán)境改變則預(yù)先建立的模型將不再適用。無需預(yù)先測(cè)試環(huán)境參數(shù)的方法需要定位引擎的計(jì)算操作， 往往具有復(fù)雜的計(jì)算過程，但適應(yīng)性較強(qiáng)。

以上幾種測(cè)距方法各有利弊， 以2009 年發(fā)表的基于測(cè)距法的文獻(xiàn)來看， 研究RSSI 方法的大約占了以上幾種方法總數(shù)的52%, TOA 方法25%, TDOA 方法13%和AOA 方法10%, 其比例圖如圖1 所示， 從實(shí)用性的角度來看， 基于RSSI 的定位方法更簡便易行， 因此， 基于RSSI 測(cè)距方法的研究占基于測(cè)距算法研究總數(shù)的一半以上。

圖1 各類方法研究比例圖

3.1.2 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算方法

無線傳感器節(jié)點(diǎn)定位過程中， 當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)獲得與鄰近參考節(jié)點(diǎn)之間的距離或相對(duì)角度信息后， 通常使用以下原理計(jì)算自己的位置。

1) 三邊測(cè)量法是一種基于幾何計(jì)算的定位方法，如圖2 所示， 已知3 個(gè)節(jié)點(diǎn)A, B, C 的坐標(biāo)以及3 點(diǎn)到未知節(jié)點(diǎn)的距離就可以估算出該未知點(diǎn)D 的坐標(biāo)，同理也可以將這個(gè)結(jié)果推廣到三維的情況。

2) 三角測(cè)量法也是一種基于幾何計(jì)算的定位方法， 如圖3 所示， 已知3 個(gè)節(jié)點(diǎn)A, B, C 的坐標(biāo)和未知節(jié)點(diǎn)D 與已知節(jié)點(diǎn)A, B, C 的角度， 每次計(jì)算2 個(gè)錨節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)組成的圓的圓心位置如已知點(diǎn)A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3 個(gè)圓心的坐標(biāo)和半徑。最后利用三邊測(cè)量法， 根據(jù)求得的圓心坐標(biāo)就能求出未知節(jié)點(diǎn)D 的位置。

圖2 三邊測(cè)量法原理示意圖

圖3 三角測(cè)量法原理示意圖

3) 極大似然估計(jì)法。如圖4 所示， 已知n 個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和它們到未知節(jié)點(diǎn)的距離， 列出坐標(biāo)與距離的n 個(gè)方程式， 從第1 個(gè)方程開始， 每個(gè)方程均減去最后一個(gè)方程， 得到n?1 個(gè)方程組成的線性方程組，最后用最小二乘估計(jì)法可以得到未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖4 極大似然估計(jì)法原理示意圖

4) 極小極大定位算法， 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位中也被廣泛使用。如圖5 所示， 計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)的距離， 接著錨節(jié)點(diǎn)根據(jù)與未知節(jié)點(diǎn)的距離d, 以自身為中心， 畫以2d 為邊長的正方形， 所有錨節(jié)點(diǎn)做出的正方形中重疊的部分的質(zhì)心就是未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。針對(duì)極小極大定位算法對(duì)錨節(jié)點(diǎn)密度依賴過高的問題， 有學(xué)者利用錨節(jié)點(diǎn)位置信息提出了分步求精定位算法， 該算法在只利用適量的錨節(jié)點(diǎn)的情況下可達(dá)到較高定位精度。