1.2 無線傳感器網絡定位技術現狀

1.2.1 背景及意義

無線傳感器網絡定位是指傳感器節點借助網絡中少數節點的位置信息，利用定位算法確定網絡中其他節點位置信息的過程。在無線傳感器網絡中，節點的位置信息是最重要的信息之一，定位問題也是傳感器網絡中的關鍵性基礎問題。在某些特定應用場景中，只有獲取位置信息后，傳感器節點采集的數據才具有真正的價值和意義，因而，節點定位技術的研究在很大程度上決定著無線傳感器網絡的應用前景。

節點定位技術應用場景眾多，例如，傳感器節點的位置信息能夠向用戶提供監測數據的位置，用于智能分析和專家決策；軍事防御中可以實現目標的定位與追蹤；位置信息也可以用于提高網絡的整體控制功能及網絡的性能等。目前，定位技術已實現廣泛應用的領域如下。

1.定位與導航

定位與導航是目前應用較為成熟的技術，在軍事上和生活中扮演了重要的角色。在定位技術的基礎上，導航技術能夠及時掌握移動物體在坐標系中的位置，了解目標所處環境并引導移動物體成功到達目的地。

2.目標跟蹤

目標跟蹤是目前快速增長的一種應用業務。跟蹤的目的是了解物體或人員所處的位置及運動軌跡。物品跟蹤在工廠生產、庫存管理和醫院儀器管理等場合有廣泛且迫切的需求。人員跟蹤可用于醫療護理、監管等領域，可以很快找到被跟蹤的人員。對珍貴野生動物進行目標跟蹤，可以對其實施有效的保護。

3.覆蓋控制

覆蓋控制是傳感器網絡的重要應用，如何對網絡進行更合理的覆蓋，關系整個網絡的性能。在大多數覆蓋控制算法中，首先需要清楚傳感器節點的位置信息，然后根據位置信息對節點的部署進行調整。位置信息也為基于地理位置的路由協議提供支持，假設網絡掌握每個節點的位置，那么就可以運行基于位置坐標的路由協議，完成優化路徑選擇過程。在傳感器網絡中，這種路由方式可以提高網絡系統的整體性能，減小能耗。

1.2.2 研究現狀

隨著電磁波理論與嵌入式開發技術的不斷成熟和發展，定位技術已在人們的生活生產中發揮了重要的作用，定位技術得以廣泛使用的基礎是全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）。衛星定位系統是一種使用衛星對物體進行準確定位的技術，在全球范圍內，主要有四大衛星定位系統，分別是美國全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、歐洲“伽利略”衛星導航系統（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）、俄羅斯“格洛納斯”衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）和中國“北斗”衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）。衛星定位通過衛星授時和測距確定位置信息，在普通場景中具有很高的定位精度，但是衛星定位系統在一些存在信號遮擋的特殊區域內并不適用，如室內、水下、隧道等復雜環境。衛星定位所需的成本較高，某種情況下并不適用于無線傳感器網絡，因此，針對無線傳感器網絡定位技術研究成為定位領域的一個重要分支，解決衛星定位不適用情形下的定位問題具有十分重要的意義。

無線傳感器網絡定位技術依賴于已知位置的參考節點，借助無線傳輸技術，如紅外、UWB、ZigBee、藍牙等，通過計算未知節點與參考節點的相對位置，實現傳感器節點的定位。20世紀90年代以來，一些國外的著名高校，如麻省理工學院（MIT）、斯坦福大學等，紛紛展開與無線傳感器網絡相關的研究。高科技公司如谷歌、英特爾等，也陸續投入到對無線傳感器網絡的研究當中。在這些研究中，出現了許多實用的傳感器網絡定位系統。1992年，AT&T劍橋研究所提出了Active Badge定位系統，該系統應用紅外傳感技術作為基礎進行室內定位。微軟研究院于2000 年提出RADAR定位系統，系統的實現主要包括兩個部分：首先，在定位區域內采集大量關于信號強度的樣本數據，建立一個信號強度與位置關系的離線數據庫；然后，在定位的過程中，通過將接收到的數據與數據庫中的數據進行配對，找出一個匹配度最大的位置作為定位結果。2000 年，AT&T劍橋研究所和MIT實驗室都通過超聲波技術開發出了各自的定位系統。AT&T劍橋研究所開發的系統為Active Bat系統，該系統與Active Badge定位系統方法相似。MIT實驗室開發的系統為Cricket系統，該系統在Active Bat系統的基礎上進行了改進，系統可以發送射頻和超聲波兩種無線信號，在定位過程中，兩種信號速度相差較大，導致接收到這兩種信號的時間也不同，那么就可以根據這個時間差來確定節點間的距離，然后通過傳統的算法計算得到結果。2003 年，加州大學UCLA開發的AH-Los系統在Cricket的基礎上做了很大的改進，同樣采用超聲波技術，并利用最大似然估計方法實現定位。2010 年，微軟研究院提出了一種基于Wi-Fi技術的定位系統，該系統可以借助已有的基礎設施進行定位，由于通常情況下，基于Wi-Fi技術的室內定位都需要大量的前期工作，但該系統成功地避免了上述限制，因此，可以很大程度地減少定位的工作量。但是由于該系統是基于服務器的運算，所以計算量大且對服務器的計算能力要求較高。

與國外相比，國內在最近十年內才逐漸開始研究這一方向，還處在探索階段。但是近幾年來國內的許多高校及研究所都對這一領域投入了大量精力，并提出了許多具有代表性的定位方案。例如，清華大學已經開發出了一套完整的定位系統——WILL系統。此外，清華大學的劉云浩教授利用無線射頻識別（RFID）進行室內定位的研究，并在2002 年最早設計并實現了基于RFID的非測距室內定位系統——LANDMARC，該系統的定位精度達到了米級。復旦大學、香港科技大學和上海交通大學等高校的研究所也一直致力于該領域的研究。