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无线传感器网络节点定位技术

定位即确定方位、确定某一事物在一定环境中的位置。在无线传感器网络中的定位具有两层意义：其一是确定自己在系统中的位置；其二是系统确定其目标在系统中的位置。在传感器网络的实际应用中，传感器节点的位置信息已经成为整个网络中必不可少的信息之一，很多应用场合一旦失去了节点的位置信息，整个网络就会变得毫无用处，因此传感器网络节点定位技术已经成了众多科学家研究的重要课题。
2.1基本概念描述

在传感器网络中，为了实现定位的需要，随机播撒的节点主要有两种：信标节点（BeaconNode）和未知节点（UnknownNode）。通常将已知自身位置的节点称为信标节点，信标节点可以通过携带GPS定位设备（或北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞、或预置其位置）等手段获得自身的精确位置，而其它节点称之为未知节点，在无线传感器网络中信标节点只占很少的比例。未知节点以信标节点作为参考点，通过信标节点的位置信息来确定自身位置。传感器网路的节点构成如图2-1所示。

图2-1无线传感器网络中信标节点和未知节点
Figure2-1Beaconnodesandunknownnodesofwirelesssensornetwork
在图2-1中，整个传感器网络由4个信标节点和数量众多的未知节点组成。信标节点用B来表示，它在整个网络中占较少的比例。未知节点用U来表示，未知节点通过周围的信标节点或已实现自身定位的未知节点通过一定的算法来实现自身定位。
下面是无线传感器网络中一些常用术语：
邻居节点（NeighborNodes）：无需经过其它节点能够直接与之进行通信的节点；
跳数（HopCount）：两个要实现通信的节点之间信息转发所需要的最小跳段总数；
连通度（Connectivity）：一个节点拥有的邻居节点数目；
跳段距离（HopDistance）：两个节点间隔之间最小跳段距离的总和；
接收信号传播时间差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)：信号传输过程中，同时发出的两种不同频率的信号到达同一目的地时由于不同的传输速度所造成的时间差；
接收信号传播时间（TimeofArrival，TOA）：信号在两个不同节点之间传播所需要的时间；
信号返回时间（Round-tripTimeofFlight，RTOF）：信号从一个节点传到另一个节点后又返回来的时间；
到达角度(AngleofArrival，AOA)：节点自身轴线相对于其接收到的信号之间的角度；
接收信号强度指示(ReceivedSigna1StrengthIndicator，RSSI)：无线信号到达传感器节点后的强弱值。
2.2节点定位技术性能评价标准

在无线传感器网络定位技术中，不同的定位算法对定位结果有不同的影响，通常情况下有以下几个指标来衡量：
定位精度（PositionalAccuracy）：定位精度是指空间实体位置信息（通常为坐标）与其真实位置之间的接近程度，它是衡量传感器网络定位的首要指标，只有达到一定定位精度的定位算法才是真实有效的。定位精度分为绝对精度和相对精度，绝对精度是指误差的绝对值，以长度为单位表示；相对精度是指误差值与节点之间距离的百分比。
有效定位范围（EffectiveRangofHYPERLINK"app:ds:orientation"Orientation）：定位系统所能定位的有效范围。在WSN中要满足大多数节点能够被定位，只有覆盖大范围的节点定位才有意义。
节点密度（NodeDensity）：节点密度就是指的播撒的传感器网络节点的疏密程度。在传感器网络中节点密度对定位的性能影响很大，一般情况下节点密度越高定位的精度也会越高，反之则会降低节点的定位精度。在WSN中针对不同的定位算法所需要节点密度也不相同，另外传感器节点的性能和价格也决定了播撒的节点的密度。
信标节点密度(DensityofBeaconNode)：信标节点密度是指信标节点在整个WSN中所占的比例。信标节点具有自身定位功能，价格较贵，不可能大面积播撒，它节点的密度决定了定位的精度的高低。
容错性和自适应性（FaultToleranceandHYPERLINK"app:ds:adaptivity"\t"_self"Adaptivity）：所谓容错性是指在故障存在的情况下系统不会失效，仍然能够正常工作的特性。容错即是FaultTolerance，确切地说是容故障（Fault），而并非容错误（Error）。自适应性可以看作是一个能根据环境变化能够智能调节自身特性的反馈控制系统，以使系统能按照一些设定的标准工作在最优状态。
安全性（HYPERLINK"app:ds:security"Securi