1.2 无线传感器网络定位技术现状

1.2.1 背景及意义

无线传感器网络定位是指传感器节点借助网络中少数节点的位置信息，利用定位算法确定网络中其他节点位置信息的过程。在无线传感器网络中，节点的位置信息是最重要的信息之一，定位问题也是传感器网络中的关键性基础问题。在某些特定应用场景中，只有获取位置信息后，传感器节点采集的数据才具有真正的价值和意义，因而，节点定位技术的研究在很大程度上决定着无线传感器网络的应用前景。

节点定位技术应用场景众多，例如，传感器节点的位置信息能够向用户提供监测数据的位置，用于智能分析和专家决策；军事防御中可以实现目标的定位与追踪；位置信息也可以用于提高网络的整体控制功能及网络的性能等。目前，定位技术已实现广泛应用的领域如下。

1.定位与导航

定位与导航是目前应用较为成熟的技术，在军事上和生活中扮演了重要的角色。在定位技术的基础上，导航技术能够及时掌握移动物体在坐标系中的位置，了解目标所处环境并引导移动物体成功到达目的地。

2.目标跟踪

目标跟踪是目前快速增长的一种应用业务。跟踪的目的是了解物体或人员所处的位置及运动轨迹。物品跟踪在工厂生产、库存管理和医院仪器管理等场合有广泛且迫切的需求。人员跟踪可用于医疗护理、监管等领域，可以很快找到被跟踪的人员。对珍贵野生动物进行目标跟踪，可以对其实施有效的保护。

3.覆盖控制

覆盖控制是传感器网络的重要应用，如何对网络进行更合理的覆盖，关系整个网络的性能。在大多数覆盖控制算法中，首先需要清楚传感器节点的位置信息，然后根据位置信息对节点的部署进行调整。位置信息也为基于地理位置的路由协议提供支持，假设网络掌握每个节点的位置，那么就可以运行基于位置坐标的路由协议，完成优化路径选择过程。在传感器网络中，这种路由方式可以提高网络系统的整体性能，减小能耗。

1.2.2 研究现状

随着电磁波理论与嵌入式开发技术的不断成熟和发展，定位技术已在人们的生活生产中发挥了重要的作用，定位技术得以广泛使用的基础是全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）。卫星定位系统是一种使用卫星对物体进行准确定位的技术，在全球范围内，主要有四大卫星定位系统，分别是美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、欧洲“伽利略”卫星导航系统（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）、俄罗斯“格洛纳斯”卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）和中国“北斗”卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）。卫星定位通过卫星授时和测距确定位置信息，在普通场景中具有很高的定位精度，但是卫星定位系统在一些存在信号遮挡的特殊区域内并不适用，如室内、水下、隧道等复杂环境。卫星定位所需的成本较高，某种情况下并不适用于无线传感器网络，因此，针对无线传感器网络定位技术研究成为定位领域的一个重要分支，解决卫星定位不适用情形下的定位问题具有十分重要的意义。

无线传感器网络定位技术依赖于已知位置的参考节点，借助无线传输技术，如红外、UWB、ZigBee、蓝牙等，通过计算未知节点与参考节点的相对位置，实现传感器节点的定位。20世纪90年代以来，一些国外的著名高校，如麻省理工学院（MIT）、斯坦福大学等，纷纷展开与无线传感器网络相关的研究。高科技公司如谷歌、英特尔等，也陆续投入到对无线传感器网络的研究当中。在这些研究中，出现了许多实用的传感器网络定位系统。1992年，AT&T剑桥研究所提出了Active Badge定位系统，该系统应用红外传感技术作为基础进行室内定位。微软研究院于2000 年提出RADAR定位系统，系统的实现主要包括两个部分：首先，在定位区域内采集大量关于信号强度的样本数据，建立一个信号强度与位置关系的离线数据库；然后，在定位的过程中，通过将接收到的数据与数据库中的数据进行配对，找出一个匹配度最大的位置作为定位结果。2000 年，AT&T剑桥研究所和MIT实验室都通过超声波技术开发出了各自的定位系统。AT&T剑桥研究所开发的系统为Active Bat系统，该系统与Active Badge定位系统方法相似。MIT实验室开发的系统为Cricket系统，该系统在Active Bat系统的基础上进行了改进，系统可以发送射频和超声波两种无线信号，在定位过程中，两种信号速度相差较大，导致接收到这两种信号的时间也不同，那么就可以根据这个时间差来确定节点间的距离，然后通过传统的算法计算得到结果。2003 年，加州大学UCLA开发的AH-Los系统在Cricket的基础上做了很大的改进，同样采用超声波技术，并利用最大似然估计方法实现定位。2010 年，微软研究院提出了一种基于Wi-Fi技术的定位系统，该系统可以借助已有的基础设施进行定位，由于通常情况下，基于Wi-Fi技术的室内定位都需要大量的前期工作，但该系统成功地避免了上述限制，因此，可以很大程度地减少定位的工作量。但是由于该系统是基于服务器的运算，所以计算量大且对服务器的计算能力要求较高。

与国外相比，国内在最近十年内才逐渐开始研究这一方向，还处在探索阶段。但是近几年来国内的许多高校及研究所都对这一领域投入了大量精力，并提出了许多具有代表性的定位方案。例如，清华大学已经开发出了一套完整的定位系统——WILL系统。此外，清华大学的刘云浩教授利用无线射频识别（RFID）进行室内定位的研究，并在2002 年最早设计并实现了基于RFID的非测距室内定位系统——LANDMARC，该系统的定位精度达到了米级。复旦大学、香港科技大学和上海交通大学等高校的研究所也一直致力于该领域的研究。