1.3 定位技術中的重要概念

1.3.1 網絡結構

無線傳感器網絡由傳感器節點、匯聚節點和任務管理節點組成，其網絡體系結構如圖1-1所示。無線傳感器網絡節點可以根據實際需求，通過人工部署或飛機播撒等手段隨機部署在監測區域內。隨機布撒的各節點以自組織形式構成無線傳感器網絡，節點將接收到的數據信息通過網絡中的其他傳感器節點逐跳傳送至匯聚節點，數據信息再通過互聯網或衛星傳輸到任務管理節點，用戶可以處理、分析所得信息。

在無線傳感器網絡中，傳感器節點是網絡的基本組成單元，節點的結構如圖1-2 所示，節點主要由傳感模塊、處理模塊、通信模塊和能量供應模塊4部分組成。

傳感模塊由傳感器和模/數轉換器（AC/DC）組成，傳感器的任務是在采集監測區域內對傳感對象進行信息采集和數據轉換。模/數轉換器的任務是將模擬信號轉換成數字信號后，將信號傳送給處理模塊。傳感器節點的傳感模塊有兩種實現模式：一種模式是在節點上集成各種傳感器，如在節點上集成溫度、壓力、濕度等傳感器，這種模式的優點是集成度高、體積小，適用于電路簡單的傳感器，但擴展性和靈活性較差；另一種模式是將各種傳感器以插件的方式與節點連接，這種模式的優點是擴展性好，可以靈活地應用于電路復雜的傳感器。處理模塊是傳感器節點的核心模塊，由處理器和存儲器組成，主要任務是協調整個節點的操作，負責處理和存儲節點采集的數據和其他節點發來的數據。通信模塊的任務是與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制信息，接收和發送節點采集的數據信息。能量供應模塊對于傳感器節點而言尤為重要，它的任務是利用安裝能量有限的電池提供節點工作時所需的全部能量。

無線傳感器網絡中另一個重要的概念是網絡協議棧。一個網絡協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，如圖1-3 所示。物理層的任務是產生載波頻率、調制和解調信號。數據鏈路層的任務是媒體接入和差錯校驗。網絡層的任務是路由發現和維護，使傳感器節點可以相互通信。傳輸層的任務是傳輸控制數據流，保證通信的質量。應用層的任務是根據不同的要求，負責調度和分發數據等。

無線傳感器網絡協議棧采用跨層設計的方法，包括能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺。能量管理平臺的任務是節省各個協議層的能量，延長網絡的生存時間。移動管理平臺的任務是檢測和記錄節點的移動，維護從傳感器節點到匯聚節點的路由。任務管理平臺的任務是根據不同的要求，協調各個節點的任務。3 種管理平臺使得節點在能耗較小的情況下，通過更加有效的方式協同工作，并支持多任務和資源共享。

1.3.2 網絡分類

無線傳感器網絡根據任務目標及實現形式的區別具有不同的特征，為了更清晰地理解無線傳感器網絡的形式，我們將無線傳感器網絡按照不同的網絡特征分別進行分類，并針對不同類型的網絡選擇適合的定位方法。

1.按照節點運動情況分類

按照節點運動情況，可以將無線傳感器網絡分為靜態無線傳感器網絡和動態無線傳感器網絡。靜態無線傳感器網絡即為傳感器節點固定、靜止的無線傳感器網絡。在靜態無線傳感器網絡中，節點一直處于靜止狀態，部署以后位置不會再發生變化。動態無線傳感器網絡可以定義為全部傳感器節點或部分傳感器節點移動的無線傳感器網絡。動態無線傳感器網絡是一個新興的研究領域，因為它可以部署在任何情況下，并且能夠應對快速的拓撲變化。因此，動態無線傳感器網絡具有更多的應用場景。

與靜態無線傳感器網絡相比，動態無線傳感器網絡具有獨特的優勢：一是動態修復性能，即當某個節點由于各種原因“死亡”時，整個網絡可能會出現盲區，利用節點的移動性，重構拓撲結構，使網絡可以繼續有效地實現監測區域全覆蓋。二是通過錨節點的移動，減少數據傳輸過程中的能耗，對延長節點壽命可以起到一定的積極作用。三是無線充電技術的廣泛應用，使得節點在移動過程中，可以實時、動態地進行能量補充，從而使整個網絡的性能得到提高。

2.按照網絡結構分類

按照網絡結構可以將無線傳感器網絡分為異構網絡和同構網絡。從廣義上講，異構網絡具有各向異性，造成各向異性的原因有很多，如兩個或兩個以上的無線系統采用了不同的接入技術、不同類型的網絡，通過網關連接到核心網，最終融合成為一個整體，由于節點間的通信形式、通信范圍等不同，因此網絡在實現定位技術時需要考慮各向異性帶來的影響。相應地，同構網絡具有各向同性，如同構網絡環境中的網絡部件是由同一個供應商供應的或者是兼容設備，它們運行在同一個操作系統或者網絡操作系統下，對網絡中的所有節點可以采用相同的處理方式進行控制。

3.按照網絡拓撲結構分類

按照網絡拓撲結構進行分類，可以將無線傳感器網絡分為星形拓撲、網狀拓撲和樹狀拓撲等。星形拓撲具有組網簡單、成本低的特點，但網絡覆蓋范圍小，一旦基站節點發生故障，所有與基站節點連接的傳感器節點與網絡中心的通信都將中斷，但用星形拓撲結構組網時，電池的使用壽命較長。網狀拓撲具有組網可靠性高、覆蓋范圍大的優點，但電池使用壽命短、管理復雜。樹狀拓撲具有星形拓撲和網狀拓撲的一些特點，既保證了網絡覆蓋范圍大，同時又不至于讓電池使用壽命過短，更加靈活、高效。

1.3.3 基本術語

本書主要針對無線傳感器網絡定位技術進行介紹，在后續章節的定位方法中會涉及與無線傳感器網絡定位相關的基本概念，為了方便讀者理解，下面會對可能涉及的基本概念進行介紹。

監測區域（Monitoring Area）：也稱部署區域，為無線傳感器網絡中節點的有限工作區域，限制節點的工作范圍。

傳感器節點（Sensor Node）：具有感知和通信功能的節點，在傳感器網絡中負責監控目標區域并獲取數據，以及完成與其他傳感器節點的通信，能夠對數據進行簡單的處理。

基站節點（Sink Node）：負責匯總由傳感器節點發送過來的數據，并做進一步數據融合及其他操作，最終把處理好的數據上傳給中心控制系統。

錨節點（Anchor Node or Seed）：也稱參考節點，是指網絡中有限個位置已知的傳感器節點，借助錨節點的位置，幫助未知位置的節點定位。

未知節點（Unknown Node）：也稱普通節點，是網絡中除錨節點以外的節點。未知節點一般是隨機部署且位置未知，需要通過錨節點計算獲取自己的位置坐標。

鄰居節點（Neighbor Nodes）：指在節點單跳距離內能與其直接通信的節點。鄰居節點之間進行通信無須其他節點的幫助。

節點密度（Node Density）：指節點分布區域中單位面積或體積內的平均節點數量。節點密度是節點定位的一個關鍵指標，一般來說，節點密度越高，定位精度越準確。

跳數（Hop Count）：指兩個傳感器節點之間的跳段數目。在網絡中，跳數是指信息傳遞經過的中間節點的總數。沿著數據路徑，每個節點形成一跳，跳數被認為是給定網絡中距離的基本度量。

跳段距離（Hop Distance）：指兩個傳感器節點數據傳輸經過的全部跳段距離之和。

平均跳距（Hop Distance）：跳段距離與跳數的比即為平均跳距，用以衡量傳輸過程中經過的每兩個節點之間的平均距離。

到達時間（Time Of Arrival，TOA）：指信號從發送節點到接收節點所經過的時間總和。

到達時間差（Time Distance Of Arrival，TDOA）：是指兩種不同傳遞速率的信號從發送點到接收點所產生的時間之差，根據傳遞信號的速度差異和到達時間差，可以進行位置估計。

到達角度（Angle Of Arrival，AOA）：節點收到的無線通信信號與其自身軸線的夾角。

接收信號強度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：指節點接收到的信號強度，由于接收信號隨著距離的增大而衰減，因此，可以依據接收信號的強度估計節點之間的距離。

視距（Line Of Sight，LOS）：指兩個傳感器節點之間可以直接進行可視路徑的信息通信，沒有任何障礙物。

非視距（No Line Of Sight，NLOS）：與視距相反，指兩個傳感器節點之間不能進行可視路徑的直接通信，存在一定的障礙物。

多徑傳播（Multipath Propagation）：指發射信號經過兩個或者兩個以上的路徑到達接收端的傳播現象。

連通（Connectible）：指傳感器節點之間能夠直接進行信息交流，鄰居節點之間都是可連通的。

連通度（Connectivity）：傳感器節點的鄰居節點個數稱為連通度。

通信半徑（Communication Radius）：指某個節點的最大通信距離，通信半徑受功率的影響，一般來說，通信半徑越大，功耗越大。

定位覆蓋率（Positioning Coverage）：指已經完成定位的未知節點與所有未知節點的數量之比，用以衡量定位進度，當定位覆蓋率為100%時，說明定位已經完成。

定位誤差（Positioning Error）：指節點估計位置與其實際位置的差值。定位誤差可以很好地反映定位精度的好壞，定位誤差有多種計算方式，包括歐幾里得距離、歐幾里得距離與通信半徑之比等，應根據定位誤差的基本形式分析定位誤差。