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            無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)綜述

            作者: 時(shí)間:2012-09-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            2) 基于信號到達(dá)角度的方法

            AOA 測距依靠在節(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)分信號來自于哪個(gè)方向。因此該需要特殊的硬件設(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 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)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)測量接收功率, 計(jì)算傳播損耗, 并使用信號傳播模型將損耗轉(zhuǎn)化為距離。

            優(yōu)點(diǎn): 低成本。每個(gè)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影響距離測量的精度。

            早期的RSSI 距離測量方法有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 值的距離測量方法可以分為2 種, 一種是需要預(yù)先測試環(huán)境信息的方法, 即在實(shí)驗(yàn)開始前, 對定位的區(qū)域進(jìn)行大量的RSSI 值測試,將不同點(diǎn)得到的RSSI 值保存到數(shù)據(jù)庫中, 建成場強(qiáng)圖或擬合曲線, 在實(shí)際測試時(shí)查詢和調(diào)用。另外一種是無需預(yù)先測試環(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)。

            以上幾種測距方法各有利弊, 以2009 年發(fā)表的基于測距法的文獻(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 測距方法的研究占基于測距算法研究總數(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

            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 三邊測量法原理示意圖

            圖3 三角測量法原理示意圖



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