基于无线传感器网络的室内定位算法研究
【摘要】随着科技的不断发展，人们即时远程的获取自己或他人或物体的地理位置信息成为了可能。伴随着移动互联技术的日新月异，人们对位置信息的需求越来越大，精度要求越来越高。典型的应用有犯罪人员的跟踪，车辆的导航，军事战斗中的定位等。但现有天基定位系统在室内的应用有其局限性。所以基于无线传感器网络的室内定位技术应运而生，该技术具有低成本、低功耗、高可靠性、易安装和拆卸、部署快速等特点。本文主要研究了基于的无线传感器网络的室内无线定位算法。
【关键词】测距算法；RSSI；三边测量
1.常用算法
目前的定位算法从定位手段上分为两大类：基于测距的算法（Range-based）和测距无关算法（Range-free）。
1.1基于测距的算法
（1）到达时间及时间差测距法
到达时间（TOA）技术通过测量信号传播时间来测量距离。TOA要求参考节点和目标节点知道信号开始传输的时刻，并要求节点有非常精确的时钟。TOA比较典型的应用是GPS，GPS系统有昂贵耗能的电子设备来精确同步卫星时钟。同时节点硬件尺寸、价格和功耗的限制也决定了TOA技术对无线传感器网络是不可行的。
（2）时间差定位法
到达时间差（TDOA）通过记录两种不同信号（常使用无线电信号和超声波信号）的传播速度，直接把信号转化为距离。该技术受到超声波传播距离的限制和非视距问题对超声波信号传播的影响，不仅需要精确的时钟记录两种信号的到达时间差异，还需要传感器节点同时具备感知两种不同信号的能力。由于这种方法仍然需要较精确的计时功能，同时由于无线传感器网络具有分布密集和无线通信范围小的特点，这种方法实现起来难度较大。
（3）接收信号强度测距法（RSSI）
根据无线电波传播规律，无线信号能量在传播过程中，会有损耗，而这种损耗与传播路径相关。RSSI测距定位算法，正是利用此相关性得出发射节点到接收节点之间距离。在无线网络中，多数无线器件能够获取RSSI值，从而根据RSSI估算出发射端到接收端距离，通过三边测量法估算出用户的位置坐标。
1.2测距无关算法
测距无关的算法不需要知道目标节点到参考节点的距离或者不需要直接测量此距离，在成本和功耗方面比基于测距的方法具有优势。
（1）质心法
质心法中心思想是：定位节点以其通信范围内所有位置己知的参考节点组成的多边形的几何质心作为其定位位置。质心定位算法的最大优点是它非常简单，完全基于网络的连通性，但需要较多参考节点。
（2）DV-Hop算法
基于距离矢量计算跳数DV-HOP（Distance Vector-HOP）定位机制非常类似于传统网络中的距离向量路由机制。该算法的定位过程分为三个阶段：①计算定位节点与每个参考节点的最小跳数；②计算定位节点与参考节点的实际距离；③利用三边测量法计算自身位置。
无线传感器网络自身定位算法的性能对其可用性有直接的影响，如何评价定位算法是一个需要研究的问题。目前已有几个常用的标准，如定位精度、参考节点密度、目标节点密度、计算量、节点之间的通信量等。
1.3算法选择
通常，测距无关的定位对定位条件要求较高，且定位精度较低，选择基于测距的定位算法，传感器节点需要布置均匀且密度大，故我们不选择测距无关的定位方式，而在基于距离或角度的定位方法中，其中利用无线电波或超声波，基于TOA测量距离或角度，虽然精度高，但是难度大，通常传感器节点功能较弱，需要外加专门的硬件设备，造成成本高、复杂、安装调试不便，不满足室内定位低成本、低功耗、小体积、低复杂度的要求。而基于RSSI测距的定位方法，直接利用无线设备的标准特性之一RSSI进行测距，进而通过三边测量法计算确定节点位置，不需要外加专门硬件设备，功耗成本低，所以我们选择在RSSI定位算法的基础上对室内无线定位算法进行研究和改进。
2. 三边测量法及质心定位法
经过上文的分析我们选择了RSSI定位算法来作为室内定位系统算法的基础，那么我们获得了待定位节点至参考节点的距离后就需要通过三边测量法来估算自身位置。
在实际应用环境中，由于电磁波的波动性和传播中的多径以及噪声干扰等造成的误差，无论哪种模型计算出的节点间距离总是跟实际距离有误差，这就使得理论上的三边测量法中三个圆无法准确相交于一点，不能准确的计算出节点的位置，所以我们结合测距无关算法中的质心算法对三边测量法进行了改进，得出三
角形质心定位法，如图2-2所示。
3.小结
本文先介绍了现行的一些常用的定位算法，包括基于测距的定位算法和测距无关的算法两大类，而后对这两类算法进行了比较，选择了RSSI定位算法。其次介绍了估算位置使用到的三边测量法以及质心定位法。
参考文献
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