C#无线传感器网络节点定位系统设计(8)
图3.3 传感器网络中的信标节点与未知节点
2．常用术语说明：
邻居节点(neighbor nodes)：传感器节点通信半径内的其它节点，称为节点的邻居节点；
跳数(hop count)：两个节点之间间隔的跳段总数，称为两个节点间的跳数；
跳段距离(hop distance)：两个节点之间间隔的各跳段距离之和，称为两节点间的跳段距离；
连通(connectible)：是指节点间可以进行无线通信，称该节点互为连通；
连通度(connectivity)：一个节点拥有的邻居节点数目，称为该节点的连通度；
信标节点密度(beacon density)：传感器网络中信标节点数目与所有节点数目的比值，称为该网络的信标节点密度。
3.2.2 节点间距离（或角度）的测量方法
在无线传感器网络中，节点间距离或角度的测量技术常用的有RSSI、TOA、TDOA和AOA。
1．RSSI
RSSI：己知发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，使用理论的或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离，该技术主要使用RF（radio frequency）信号。因传感器节点本身具有无线通信能力，故其是一种低功率、廉价的测距技术，RADAR，SpotON等许多项目[25, 32, 52, 89]中都使用了该技术。它的主要误差来源是环境影响所造成的信号传播模型的建模复杂性：反射、多径传播、NLOS、天线增益等问题都会对相同距离产生显著不同的传播损耗。通常将其看作为一种粗糙的测距技术，有可能产生士50%的测距误差[52]。
2．TOA
TOA：该技术通过测量信号传播时间来测量距离。使用TOA技术最基本的定位系统是GPS，GPS系统需要昂贵、高能耗的电子设备来精确同步卫星时钟。因无线传感器网络节点在硬件尺寸、价格和功耗方面的限制，GPS对无线传感器网络而言几乎是不可行的。
3．TDOA
TDOA：TDOA技术被广泛应用在无线传感器网络的节点自定位方案中。无线传感器网络在利用TDOA技术测量节点间距时，与蜂窝式无线网络的移动台定位和机器人导航定位不同，一般是在节点上安装超声波收发器和RF收发器。测距时，位于发射端的两种收发器同时发射信号，利用声波与电磁波在空气中传播速度的巨大差异，在接收端记录两种不同信号到达时间的差异，而后基于己知的信号传播速度，直接把时间转化为距离。Cricket系统[39]、AHLos系统[50]等多种定位系统 [50, 51, 90, 92]都使用TDOA实现测距。该技术的测距精度较RSSI高[93]，可达到厘米级，但受限于超声波传播距离有限（超声波信号通常传播距离仅为20～30英尺），网络需要密集部署。此外，超声波信号的传播会受NLOS问题影响，虽然己有发现并减轻NLOS影响的技术[94, 95]，但都需要大量计算和通信开销，不一定适用于有低功耗要求的无线传感器网络应用中。
4．AOA
AOA是一种估算邻居节点发送信号方向的技术，可以通过天线阵列或多个接收器结合来实现，除定位外，还能提供节点的方向信息。如MIT的The Cricket Compass等项目[96]中就利用多个接收器提出了基于AOA的硬件解决方案，其原型系统可在士40°角内以士5°的误差确定接收信号的方向。同样，AOA技术也受外界环境影响，如噪声、NLOS问题等都会对测量结果产生不同影响。同时，AOA需要额外硬件，在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点。
综上所述，以上四种测距（测角）方法各有利弊，但以RSSI和TDOA两种方法最为常用。
3.2.3 计算节点位置的基本方法
在无线传感器网络应用中，大多考虑节点在二文空间的位置，因此，本小节只给出在二文空间的节点位置计算方法的算法描述，但其中的一些算法可以扩展到三文空间应用。在传感器节点的自定位过程中，当未知节点在获得与邻近信标节点之间的距离或相对角度后，通常使用下列方法计算自己的位置：