無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中AOA節(jié)點(diǎn)定位改進(jìn)算法研究

摘要：基于信號(hào)到達(dá)角度(AOA)的定位算法是一種常見(jiàn)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位算法，算法通信開(kāi)銷(xiāo)低，定位精度較高。由于各種原因，估測(cè)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)位置可能存在不可靠位置，提出了一種改進(jìn)的基于信號(hào)到達(dá)角的定位方法，通過(guò)過(guò)濾誤差較大的估計(jì)位置，來(lái)提高定位的精度。仿真結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)算法很好地提高了定位精度。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)定位；到達(dá)角；估計(jì)位置過(guò)濾

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信、集成電路、傳感器以及微電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，被譽(yù)為全球未來(lái)三大高科技產(chǎn)業(yè)之一的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，作為其關(guān)鍵技術(shù)的傳感器技術(shù)成為人們研究核心，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用逐漸深入到人們生活的方方面面，其核心支撐的節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)也得到不斷的改進(jìn)、推廣。
在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，其中部分節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)攜帶自身定位設(shè)備或人工部署的方式獲得自身的精確位置，此類(lèi)節(jié)點(diǎn)被稱(chēng)為錨節(jié)點(diǎn)(anchor node)；其他未知節(jié)點(diǎn)(unknown node)只能根據(jù)錨節(jié)點(diǎn)位置按照某種定位機(jī)制估算出自身位置。錨節(jié)點(diǎn)所占的比例直接影響到傳感器網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)。根據(jù)是否需要測(cè)距，節(jié)點(diǎn)定位算法分為兩類(lèi)：基于測(cè)距(range-based)的定位算法和無(wú)需測(cè)距(range-free)的定位算法。Range-free算法僅僅依靠網(wǎng)絡(luò)連通性等信息就能夠?qū)崿F(xiàn)定位，其主要代表算法有質(zhì)心算法(Centroid)、DVHop (Distance Vector-Hop)、凸規(guī)劃(Convex)和APIT(Approximate Perfect Point In Tri-angulation Test)等，無(wú)需測(cè)距的定位算法對(duì)硬件的要求不高，但通常定位精度不高；基于測(cè)距的定位算法在定位過(guò)程中需要對(duì)節(jié)點(diǎn)間的角度信息或者距離等進(jìn)行測(cè)量，其典型算法有接收信號(hào)強(qiáng)度法(RSSI，Rece ived Signal Strength Indicator)、信號(hào)傳輸時(shí)間法(TOA，Time of Arrival)、信號(hào)到達(dá)角法(AOA，Arrival of Angle)等，通過(guò)測(cè)量未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離或角度信息，再運(yùn)用三邊測(cè)量法、三角測(cè)量法或最大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。Range-based算法定位精度較高，但對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件、成本有一定的要求，未來(lái)研究趨勢(shì)是低成本、高能效的角度或距離測(cè)量技術(shù)及相關(guān)的定位算法。
基于信號(hào)到達(dá)角度的定位算法是一種典型的基于測(cè)距的定位算法，通過(guò)某些硬件設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度，然后再利用三角測(cè)量法或其他方式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。本文首先介紹了典型的基于信號(hào)到達(dá)角度的節(jié)點(diǎn)定位算法，在此基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的算法，即在對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行求精校正的階段，通過(guò)選擇過(guò)濾誤差較大的估計(jì)位置，提高系統(tǒng)的定位精度，使最后的定位結(jié)果更加有效。

1 理論分析
1．1 基于信號(hào)到達(dá)角度的定位算法
算法第一步為測(cè)量階段，即未知節(jié)點(diǎn)通過(guò)特殊設(shè)備測(cè)量得到在通信范圍內(nèi)的錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)到達(dá)角度信息。
第二步利用夾角射線原則解方程，計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，假設(shè)未知節(jié)點(diǎn)P(x，y)，測(cè)量A(x1，y)、B(x2，y2)兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的信號(hào)到達(dá)角度信息為α、β，解方程：

第3部進(jìn)行求精校正。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)有多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)時(shí)，將兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)作為一組分成不同排列組合，其結(jié)果會(huì)有多個(gè)估計(jì)位置，將多個(gè)估計(jì)位置組成的幾何圖形的質(zhì)心作為未知節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)位置。
算法的一般流程圖如圖1所示。