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摘要：无线传感器网络是一种新型网络，作为一种全新的信息获取和处理技术，具有广泛的应用范围，目前大多数的定位系统都需要有线基础设施的支持，而随着社会以及计算技术的发展，人们对以一种无线传感器网络中定位的方式来进行定位的要求越来越强烈。以一种经济的方法来实现方式的定位问题吸引着越来越多研究人员的关注。主要分析了基于分布式定位算法的无线传感器网络定位问题。
引言
无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域有广泛的应用前景。然而，无论是在军事侦察或地理环境监测，还是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合，很多获取的监测信息需要附带相应的位置信息，否则，这些数据就是不确切的，甚至有时候会失去采集的意义，因此网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。
1.无线传感器网络中定位的要求
传感器节点必须明确自身位置才能详细说明什么位置发什么了什么事件，从而实现对外部目标的定位和跟踪，其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量。因此，必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位。无线传感器网络定位最简单的方法是为每个节点装载全球卫星定位系统（GPS）接收器，用以确定节点位置。但是，由于经济因素、节点能量制约和GPS对于部署环境有一定要求等条件的限制，导致方案的可行性较差。因此，一般只有少量節点通过装载GPS或通过预先部署在特定位置的方式获取自身坐标。另外，无线传感器网络的节点定位涉及很多方面的内容，包括定位精度、网络规模、锚节点密度、网络的容错性和鲁棒性以及功耗等，如何平衡各种关系对于无线传感器网络的定位问题非常具有挑战性。可以说无线传感器网络节点自身定位问题在很大程度上决定着其应用前景。因此，研究节点定位问题不仅必要，而且具有很重要的现实意义。
2.无线传感器网络系统应具备的特点
在把无线传感器网络应用到具体场景时通常会在监测区域部署大量的无线传感器节点，而每个节点的成本在整个无线传感器网络的部署成本中扮演着一个非常重要的角色，因此为了降低整个网络的成本就要求每个无线传感器节点的成本尽可能的低。由于受到价格的限制，因此单个无线传感器的硬件资源也是非常有限的，如节点的计算能力、能量供应、通信范围、片上内存等。此外，为了易于部署或者出于环境的限制，通常不会为无线传感器网络提供基础设施的支持。因此，为了系统能够有效地工作，通常要求无线传感器网络具备以下特点：
自组织性：由于在部署无线传感器节点的时候通常不能预先精确设定节点的具体位置，并且节点之间的邻居关系预先也无法知道，因此这就要求无线传感器节点具有自组织能力，在启动之后能够通过网络协议自动进行配置和管理，形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
动态性：由于无线传感器网络的运行环境通常比较复杂，并且单个节点的能力非常有限，因此在运行过程中难免出现由各种因素所引起的节点故障或失效，如电池耗尽、环境变化所造成的无线通信链路带宽的变化等。此外，无线传感器节点的移动和新节点的加入也会导致节点间邻居关系的变化，因此这就要求无线传感器网络能够适应拓扑的动态变化。
安全性：在某些特殊的领域，无线传感器网络不仅要进行数据的采集与传输，还需要保证数据的有效性和机密性以防攻击者注入假数据或者通过截获数据包来发现发送者的身份和位置等信息，这就要求无线传感器网络实现一些基本的安全机制，如完整性鉴别、点到点的消息认证等，以构建一个安全的无线通信系统。
3.无线传感器网络系统定位技术算法
定位过程在整个定位过程中需要用到无线传感器网络的测距和通信两个基本功能。通信功能用来把传感器的位置等相关信息发送到计算机进行分析和处理，测距功能在计算节点位置时为算法提供所需的距离数据。运用算法计算未知节点在三维空间中的位置的时候需要知道未知节点与至少4个锚节点之间的距离，因此一跳范围内的未知节点必须要能够与4个锚节点进行测距。现定义整个无线传感器网络中锚节点的集合为；D（0）=（A1，A2，A3，A4，…）；定义D（1）=（网络中能与D（0）中至少4个节点进行测距，并且不属于D（0）的节点）；以此类推，定义D（i）=（网络中能与D（0）～D（i-1）中至少4个节点进行测距，并且不属于D（0）～D（i-1）的节点）。很容易证明，如果D（0）～D（i）构成了对网络中所有的节点的一个完全划分，那么网络中所有的节点都是可定位的，而那些不属于D（0）～D（i-1）中的节点是不可定位的。根据上述分析可知，部署网络节点的时候需要按照一定的规则才能运用定位机制把网络中所有的节点都定位出来。
3.1无线传感器网络系统定位技术特点
定位方法的性能评价标准无线传感器网络定位性能的评价标准主要分为7种，下面分别进行介绍。
1）定位精度。定位技术首要的评价指标就是定位精确度，其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定位误差越小定位精确度越高。
2）规模大小。不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或一段时间，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。
3）锚节点密度。锚节点定位通常依赖人工部署或使用GPS实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将增加10倍，另外，定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限，当到达一定程度后不会再提高。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。
4）节点密度。节点密度通常以网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感器网络中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。
5）容错性和自适应性。定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真实环境往往比较复杂，且会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等问题，此时，物理地维护或替换节点或使用其他高精度的测量手段常常是困难或不可行的。因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误，对无线传感器网络进行故障管理，减小各种误差的影响。
6）功耗要求。功耗是对无线传感器网络的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点的电池能量有限，因此在保证定位精确度的前提下，与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。
7）要求特点。定位系统或算法的要求可从不同的方面来评价。时间要求包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间要求包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金要求则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。
4结语
无线定位算法在确定网络节点位置的过程中扮演着一个非常关键的角色，无线定位算法的优劣直接关系着基于无线传感器网络的无线定位系统的性能表现。但现有的定位算法存在复杂度高、需要基础设施支持以及精度低等问题，这类算法无法满足实时高精度定位的要求。现代工业采用简单、高效、精度高以及符合工业要求的无线定位算法已经成为基于无线传感器网络的无线定位系统研究领域的一个研究热点，值得后面做大量的研究。
参考文献：
[1]彭伟.移动自组网络中的广播与路由技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2000，6.
[2]马祖长，孙怡宁.无线传感器网络节点的定位算法[J].计算机工程，2004，4.
[3]钱进，陆佶人.圆周阵被动定位和跟踪方法的研究[J].东南大学学报，1995，6.
引言
无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术在目标跟踪、入侵监测及一些定位相关领域有广泛的应用前景。然而，无论是在军事侦察或地理环境监测，还是交通路况监测或医疗卫生中对病人的跟踪等应用场合，很多获取的监测信息需要附带相应的位置信息，否则，这些数据就是不确切的，甚至有时候会失去采集的意义，因此网络中传感器节点自身位置信息的获取是大多数应用的基础。
1.无线传感器网络中定位的要求
传感器节点必须明确自身位置才能详细说明什么位置发什么了什么事件，从而实现对外部目标的定位和跟踪，其次，了解传感器节点的位置分布状况可以对提高网络的路由效率提供帮助，从而实现网络的负载均衡以及网络拓扑的自动配置，改善整个网络的覆盖质量。因此，必须采取一定的机制或算法来实现无线传感器网络中各节点的定位。无线传感器网络定位最简单的方法是为每个节点装载全球卫星定位系统（GPS）接收器，用以确定节点位置。但是，由于经济因素、节点能量制约和GPS对于部署环境有一定要求等条件的限制，导致方案的可行性较差。因此，一般只有少量節点通过装载GPS或通过预先部署在特定位置的方式获取自身坐标。另外，无线传感器网络的节点定位涉及很多方面的内容，包括定位精度、网络规模、锚节点密度、网络的容错性和鲁棒性以及功耗等，如何平衡各种关系对于无线传感器网络的定位问题非常具有挑战性。可以说无线传感器网络节点自身定位问题在很大程度上决定着其应用前景。因此，研究节点定位问题不仅必要，而且具有很重要的现实意义。
2.无线传感器网络系统应具备的特点
在把无线传感器网络应用到具体场景时通常会在监测区域部署大量的无线传感器节点，而每个节点的成本在整个无线传感器网络的部署成本中扮演着一个非常重要的角色，因此为了降低整个网络的成本就要求每个无线传感器节点的成本尽可能的低。由于受到价格的限制，因此单个无线传感器的硬件资源也是非常有限的，如节点的计算能力、能量供应、通信范围、片上内存等。此外，为了易于部署或者出于环境的限制，通常不会为无线传感器网络提供基础设施的支持。因此，为了系统能够有效地工作，通常要求无线传感器网络具备以下特点：
自组织性：由于在部署无线传感器节点的时候通常不能预先精确设定节点的具体位置，并且节点之间的邻居关系预先也无法知道，因此这就要求无线传感器节点具有自组织能力，在启动之后能够通过网络协议自动进行配置和管理，形成转发监测数据的多跳无线网络系统。
动态性：由于无线传感器网络的运行环境通常比较复杂，并且单个节点的能力非常有限，因此在运行过程中难免出现由各种因素所引起的节点故障或失效，如电池耗尽、环境变化所造成的无线通信链路带宽的变化等。此外，无线传感器节点的移动和新节点的加入也会导致节点间邻居关系的变化，因此这就要求无线传感器网络能够适应拓扑的动态变化。
安全性：在某些特殊的领域，无线传感器网络不仅要进行数据的采集与传输，还需要保证数据的有效性和机密性以防攻击者注入假数据或者通过截获数据包来发现发送者的身份和位置等信息，这就要求无线传感器网络实现一些基本的安全机制，如完整性鉴别、点到点的消息认证等，以构建一个安全的无线通信系统。
3.无线传感器网络系统定位技术算法
定位过程在整个定位过程中需要用到无线传感器网络的测距和通信两个基本功能。通信功能用来把传感器的位置等相关信息发送到计算机进行分析和处理，测距功能在计算节点位置时为算法提供所需的距离数据。运用算法计算未知节点在三维空间中的位置的时候需要知道未知节点与至少4个锚节点之间的距离，因此一跳范围内的未知节点必须要能够与4个锚节点进行测距。现定义整个无线传感器网络中锚节点的集合为；D（0）=（A1，A2，A3，A4，…）；定义D（1）=（网络中能与D（0）中至少4个节点进行测距，并且不属于D（0）的节点）；以此类推，定义D（i）=（网络中能与D（0）～D（i-1）中至少4个节点进行测距，并且不属于D（0）～D（i-1）的节点）。很容易证明，如果D（0）～D（i）构成了对网络中所有的节点的一个完全划分，那么网络中所有的节点都是可定位的，而那些不属于D（0）～D（i-1）中的节点是不可定位的。根据上述分析可知，部署网络节点的时候需要按照一定的规则才能运用定位机制把网络中所有的节点都定位出来。
3.1无线传感器网络系统定位技术特点
定位方法的性能评价标准无线传感器网络定位性能的评价标准主要分为7种，下面分别进行介绍。
1）定位精度。定位技术首要的评价指标就是定位精确度，其又分为绝对精度和相对精度。绝对精度是测量的坐标与真实坐标的偏差，一般用长度计量单位表示。相对误差一般用误差值与节点无线射程的比例表示，定位误差越小定位精确度越高。
2）规模大小。不同的定位系统或算法也许可以在一栋楼房、一层建筑物或仅仅是一个房间内实现定位。另外，给定一定数量的基础设施或一段时间，一种技术可以定位多少目标也是一个重要的评价指标。
3）锚节点密度。锚节点定位通常依赖人工部署或使用GPS实现。人工部署锚节点的方式不仅受网络部署环境的限制，还严重制约了网络和应用的可扩展性。而使用GPS定位，锚节点的费用会比普通节点高两个数量级，这意味着即使仅有10%的节点是锚节点，整个网络的价格也将增加10倍，另外，定位精度随锚节点密度的增加而提高的范围有限，当到达一定程度后不会再提高。因此，锚节点密度也是评价定位系统和算法性能的重要指标之一。
4）节点密度。节点密度通常以网络的平均连通度来表示，许多定位算法的精度受节点密度的影响。在无线传感器网络中，节点密度增大不仅意味着网络部署费用的增加，而且会因为节点间的通信冲突问题带来有限带宽的阻塞。
5）容错性和自适应性。定位系统和算法都需要比较理想的无线通信环境和可靠的网络节点设备。而真实环境往往比较复杂，且会出现节点失效或节点硬件受精度限制而造成距离或角度测量误差过大等问题，此时，物理地维护或替换节点或使用其他高精度的测量手段常常是困难或不可行的。因此，定位系统和算法必须有很强的容错性和自适应性，能够通过自动调整或重构纠正错误，对无线传感器网络进行故障管理，减小各种误差的影响。
6）功耗要求。功耗是对无线传感器网络的设计和实现影响最大的因素之一。由于传感器节点的电池能量有限，因此在保证定位精确度的前提下，与功耗密切相关的定位所需的计算量、通信开销、存储开销、时间复杂性是一组关键性指标。
7）要求特点。定位系统或算法的要求可从不同的方面来评价。时间要求包括一个系统的安装时间、配置时间、定位所需时间；空间要求包括一个定位系统或算法所需的基础设施和网络节点的数量、硬件尺寸等；资金要求则包括实现一种定位系统或算法的基础设施、节点设备的总费用。
4结语
无线定位算法在确定网络节点位置的过程中扮演着一个非常关键的角色，无线定位算法的优劣直接关系着基于无线传感器网络的无线定位系统的性能表现。但现有的定位算法存在复杂度高、需要基础设施支持以及精度低等问题，这类算法无法满足实时高精度定位的要求。现代工业采用简单、高效、精度高以及符合工业要求的无线定位算法已经成为基于无线传感器网络的无线定位系统研究领域的一个研究热点，值得后面做大量的研究。
参考文献：
[1]彭伟.移动自组网络中的广播与路由技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2000，6.
[2]马祖长，孙怡宁.无线传感器网络节点的定位算法[J].计算机工程，2004，4.
[3]钱进，陆佶人.圆周阵被动定位和跟踪方法的研究[J].东南大学学报，1995，6.