1.3 定位技术中的重要概念
1.3.1 网络结构
无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点组成，其网络体系结构如图1-1所示。无线传感器网络节点可以根据实际需求，通过人工部署或飞机播撒等手段随机部署在监测区域内。随机布撒的各节点以自组织形式构成无线传感器网络，节点将接收到的数据信息通过网络中的其他传感器节点逐跳传送至汇聚节点，数据信息再通过互联网或卫星传输到任务管理节点，用户可以处理、分析所得信息。
图1-1 无线传感器网络体系结构
在无线传感器网络中，传感器节点是网络的基本组成单元，节点的结构如图1-2 所示，节点主要由传感模块、处理模块、通信模块和能量供应模块4部分组成。
图1-2 无线传感器网络节点结构
传感模块由传感器和模/数转换器（AC/DC）组成，传感器的任务是在采集监测区域内对传感对象进行信息采集和数据转换。模/数转换器的任务是将模拟信号转换成数字信号后，将信号传送给处理模块。传感器节点的传感模块有两种实现模式：一种模式是在节点上集成各种传感器，如在节点上集成温度、压力、湿度等传感器，这种模式的优点是集成度高、体积小，适用于电路简单的传感器，但扩展性和灵活性较差；另一种模式是将各种传感器以插件的方式与节点连接，这种模式的优点是扩展性好，可以灵活地应用于电路复杂的传感器。处理模块是传感器节点的核心模块，由处理器和存储器组成，主要任务是协调整个节点的操作，负责处理和存储节点采集的数据和其他节点发来的数据。通信模块的任务是与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息，接收和发送节点采集的数据信息。能量供应模块对于传感器节点而言尤为重要，它的任务是利用安装能量有限的电池提供节点工作时所需的全部能量。
无线传感器网络中另一个重要的概念是网络协议栈。一个网络协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如图1-3 所示。物理层的任务是产生载波频率、调制和解调信号。数据链路层的任务是媒体接入和差错校验。网络层的任务是路由发现和维护，使传感器节点可以相互通信。传输层的任务是传输控制数据流，保证通信的质量。应用层的任务是根据不同的要求，负责调度和分发数据等。
图1-3 无线传感器网络协议栈
无线传感器网络协议栈采用跨层设计的方法，包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。能量管理平台的任务是节省各个协议层的能量，延长网络的生存时间。移动管理平台的任务是检测和记录节点的移动，维护从传感器节点到汇聚节点的路由。任务管理平台的任务是根据不同的要求，协调各个节点的任务。3 种管理平台使得节点在能耗较小的情况下，通过更加有效的方式协同工作，并支持多任务和资源共享。
1.3.2 网络分类
无线传感器网络根据任务目标及实现形式的区别具有不同的特征，为了更清晰地理解无线传感器网络的形式，我们将无线传感器网络按照不同的网络特征分别进行分类，并针对不同类型的网络选择适合的定位方法。
1.按照节点运动情况分类
按照节点运动情况，可以将无线传感器网络分为静态无线传感器网络和动态无线传感器网络。静态无线传感器网络即为传感器节点固定、静止的无线传感器网络。在静态无线传感器网络中，节点一直处于静止状态，部署以后位置不会再发生变化。动态无线传感器网络可以定义为全部传感器节点或部分传感器节点移动的无线传感器网络。动态无线传感器网络是一个新兴的研究领域，因为它可以部署在任何情况下，并且能够应对快速的拓扑变化。因此，动态无线传感器网络具有更多的应用场景。
与静态无线传感器网络相比，动态无线传感器网络具有独特的优势：一是动态修复性能，即当某个节点由于各种原因“死亡”时，整个网络可能会出现盲区，利用节点的移动性，重构拓扑结构，使网络可以继续有效地实现监测区域全覆盖。二是通过锚节点的移动，减少数据传输过程中的能耗，对延长节点寿命可以起到一定的积极作用。三是无线充电技术的广泛应用，使得节点在移动过程中，可以实时、动态地进行能量补充，从而使整个网络的性能得到提高。
2.按照网络结构分类
按照网络结构可以将无线传感器网络分为异构网络和同构网络。从广义上讲，异构网络具有各向异性，造成各向异性的原因有很多，如两个或两个以上的无线系统采用了不同的接入技术、不同类型的网络，通过网关连接到核心网，最终融合成为一个整体，由于节点间的通信形式、通信范围等不同，因此网络在实现定位技术时需要考虑各向异性带来的影响。相应地，同构网络具有各向同性，如同构网络环境中的网络部件是由同一个供应商供应的或者是兼容设备，它们运行在同一个操作系统或者网络操作系统下，对网络中的所有节点可以采用相同的处理方式进行控制。
3.按照网络拓扑结构分类
按照网络拓扑结构进行分类，可以将无线传感器网络分为星形拓扑、网状拓扑和树状拓扑等。星形拓扑具有组网简单、成本低的特点，但网络覆盖范围小，一旦基站节点发生故障，所有与基站节点连接的传感器节点与网络中心的通信都将中断，但用星形拓扑结构组网时，电池的使用寿命较长。网状拓扑具有组网可靠性高、覆盖范围大的优点，但电池使用寿命短、管理复杂。树状拓扑具有星形拓扑和网状拓扑的一些特点，既保证了网络覆盖范围大，同时又不至于让电池使用寿命过短，更加灵活、高效。
1.3.3 基本术语
本书主要针对无线传感器网络定位技术进行介绍，在后续章节的定位方法中会涉及与无线传感器网络定位相关的基本概念，为了方便读者理解，下面会对可能涉及的基本概念进行介绍。
监测区域（Monitoring Area）：也称部署区域，为无线传感器网络中节点的有限工作区域，限制节点的工作范围。
传感器节点（Sensor Node）：具有感知和通信功能的节点，在传感器网络中负责监控目标区域并获取数据，以及完成与其他传感器节点的通信，能够对数据进行简单的处理。
基站节点（Sink Node）：负责汇总由传感器节点发送过来的数据，并做进一步数据融合及其他操作，最终把处理好的数据上传给中心控制系统。
锚节点（Anchor Node or Seed）：也称参考节点，是指网络中有限个位置已知的传感器节点，借助锚节点的位置，帮助未知位置的节点定位。
未知节点（Unknown Node）：也称普通节点，是网络中除锚节点以外的节点。未知节点一般是随机部署且位置未知，需要通过锚节点计算获取自己的位置坐标。
邻居节点（Neighbor Nodes）：指在节点单跳距离内能与其直接通信的节点。邻居节点之间进行通信无须其他节点的帮助。
节点密度（Node Density）：指节点分布区域中单位面积或体积内的平均节点数量。节点密度是节点定位的一个关键指标，一般来说，节点密度越高，定位精度越准确。
跳数（Hop Count）：指两个传感器节点之间的跳段数目。在网络中，跳数是指信息传递经过的中间节点的总数。沿着数据路径，每个节点形成一跳，跳数被认为是给定网络中距离的基本度量。
跳段距离（Hop Distance）：指两个传感器节点数据传输经过的全部跳段距离之和。
平均跳距（Hop Distance）：跳段距离与跳数的比即为平均跳距，用以衡量传输过程中经过的每两个节点之间的平均距离。
到达时间（Time Of Arrival，TOA）：指信号从发送节点到接收节点所经过的时间总和。
到达时间差（Time Distance Of Arrival，TDOA）：是指两种不同传递速率的信号从发送点到接收点所产生的时间之差，根据传递信号的速度差异和到达时间差，可以进行位置估计。
到达角度（Angle Of Arrival，AOA）：节点收到的无线通信信号与其自身轴线的夹角。
接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）：指节点接收到的信号强度，由于接收信号随着距离的增大而衰减，因此，可以依据接收信号的强度估计节点之间的距离。
视距（Line Of Sight，LOS）：指两个传感器节点之间可以直接进行可视路径的信息通信，没有任何障碍物。
非视距（No Line Of Sight，NLOS）：与视距相反，指两个传感器节点之间不能进行可视路径的直接通信，存在一定的障碍物。
多径传播（Multipath Propagation）：指发射信号经过两个或者两个以上的路径到达接收端的传播现象。
连通（Connectible）：指传感器节点之间能够直接进行信息交流，邻居节点之间都是可连通的。
连通度（Connectivity）：传感器节点的邻居节点个数称为连通度。
通信半径（Communication Radius）：指某个节点的最大通信距离，通信半径受功率的影响，一般来说，通信半径越大，功耗越大。
定位覆盖率（Positioning Coverage）：指已经完成定位的未知节点与所有未知节点的数量之比，用以衡量定位进度，当定位覆盖率为100%时，说明定位已经完成。
定位误差（Positioning Error）：指节点估计位置与其实际位置的差值。定位误差可以很好地反映定位精度的好坏，定位误差有多种计算方式，包括欧几里得距离、欧几里得距离与通信半径之比等，应根据定位误差的基本形式分析定位误差。