一種魯棒的安全定位算法

摘 要：在基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定位設(shè)計中，信標(biāo)節(jié)點的部署是一個至關(guān)重要的因素。目前大部分的定位算法都需要在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署許多的信標(biāo)節(jié)點。然而，在有攻擊的環(huán)境下，這些信標(biāo)節(jié)點很容易受到惡意節(jié)點的攻擊。針對這一個問題，提出了只在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的邊界上部署少量的節(jié)點估算未知節(jié)點的位置，并通過信標(biāo)節(jié)點之間通信來對其進行驗證。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；定位；測距；惡意攻擊

1 概述

目前，隨著無線通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Networks，WSN）得到了前所未有的關(guān)注，可以被廣泛的應(yīng)用于各種應(yīng)用中，如軍事監(jiān)測、醫(yī)療保健、智能家居、追蹤和環(huán)境監(jiān)測等[2]。

定位一般是指在一個可接受的精度條件下，確定一個未知節(jié)點的絕對坐標(biāo)或相對坐標(biāo)的能力。未知節(jié)點的定位精度一般會受到信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)的影響。文獻[3]旨在尋找一種信標(biāo)節(jié)點最優(yōu)部署方案，該方案能夠讓所有目標(biāo)節(jié)點的定位精度最高。通過選擇3到8個信標(biāo)節(jié)點情況下的最優(yōu)信標(biāo)節(jié)點部署方案。結(jié)果表明，當(dāng)存在4到8個信標(biāo)節(jié)點時，將信標(biāo)節(jié)點等距的部署在一個正方形測試區(qū)域的邊界上，可以得到最小的平均克拉米羅值。

本文針對網(wǎng)絡(luò)中會存在惡意攻擊的情況，提出了一個魯棒的、低成本的、有效的定位方案。提出的方案最多只需要16個信標(biāo)節(jié)點，這些信標(biāo)節(jié)點被部署在監(jiān)測區(qū)域的邊界上，將信標(biāo)節(jié)點等距的部署在監(jiān)測區(qū)域的邊界上，采用未知節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點之間的最小跳數(shù)估計兩者之間的距離，代替應(yīng)用噪聲模型。通過信標(biāo)節(jié)點之間的相互通信來識別惡意信標(biāo)節(jié)點。

2 未知節(jié)點的距離估計

本文分析在監(jiān)測區(qū)域的邊界部署少量信標(biāo)節(jié)點（小于16個）估計未知節(jié)點的位置。設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中有k個信標(biāo)節(jié)點，其中k∈[2，16]。且每個信標(biāo)節(jié)點廣播一個數(shù)據(jù)包給它的鄰居節(jié)點，這個數(shù)據(jù)包中包含以下2個字段：（1）Min_hc，表示到源節(jié)點的最小跳數(shù)，初始值為0；（2）源信標(biāo)節(jié)點ID。

每個傳感器節(jié)點存儲一個k元組（hop1，hop2，…，hopk），其中，hopi表示該節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點i（1？燮i？燮k）的當(dāng)前最小跳數(shù)。k元組中的每個元素的初始值設(shè)為正無窮大。一旦傳感器節(jié)點接收到從信標(biāo)節(jié)點i發(fā)送的信息包，它檢查信息包中Min_hc的值，如果傳感器節(jié)點中的hopi的值大于（Min_hc+1），則傳感器節(jié)點在將該信息包轉(zhuǎn)發(fā)給它的鄰居節(jié)點之前，將信息包內(nèi)的Min_hc值增加1，并將對應(yīng)的hopi的值更新為Min_hc，否則，丟棄當(dāng)前接收到的信息包。

當(dāng)所有的未知節(jié)點完成上面的過程后，每個未知節(jié)點都將得到自己到每個信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)值。將每個未知節(jié)點對應(yīng)的跳數(shù)值表示為一個k元組（hop1，hop2，…，hopk），其中，hopi表示該節(jié)點到信標(biāo)節(jié)點i（1？燮i？燮k）的當(dāng)前最小跳數(shù)。

3 安全定位

4 性能分析

對提出的算法和DV-Hop算法分別進行仿真，分析提出算法的性能。在DV-Hop算法中，所有節(jié)點都需要計算出與信標(biāo)節(jié)點之間的最小跳數(shù)，每個信標(biāo)節(jié)點都需要進行一次洪泛操作。而且，每個信標(biāo)節(jié)點都需要計算出它的平均每跳距離，每個信標(biāo)節(jié)點都需要進行一次額外的洪泛操作，將它的平均每跳距離廣播給未知節(jié)點。因此，DV-Hop算法需要進行的洪泛操作是網(wǎng)絡(luò)中信標(biāo)節(jié)點數(shù)目的兩倍。對于每個未知節(jié)點，采用三邊定位方法進行定位，為了收斂于一個固定值，該方法需要進行的迭代次數(shù)是可變的，其迭代次數(shù)從2到100不等。而提出的算法為了讓未知節(jié)點得到所有到信標(biāo)節(jié)點的最小跳數(shù)，需要進行k次洪泛操作。通過選擇一個合適的？琢，每個未知節(jié)點估計它到k個信標(biāo)節(jié)點的距離。在一個有限的步驟內(nèi)，利用最小二乘多點定位法計算出未知節(jié)點的坐標(biāo)。其定位性能明顯優(yōu)于已有的定位算法。

5 結(jié)束語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般部署在無人值守的區(qū)域，很容易都到惡意節(jié)點的攻擊，當(dāng)前大部分傳感網(wǎng)絡(luò)需要部署大量的信標(biāo)節(jié)點，這些信標(biāo)節(jié)點很容易受到惡意攻擊從而破壞整個網(wǎng)絡(luò)的定位。通過只在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的邊界上部署少量的節(jié)點估算未知節(jié)點的位置，并通過信標(biāo)節(jié)點之間通信來對其進行驗證實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的安全定位。

參考文獻

[1]劉雪蘭，王宜懷，陸全華，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)RSSI定位算法改進[J].計算機應(yīng)用與軟件，2013，11：87-89.

[2]詹杰，劉宏立，劉述鋼，等.基于RSSI的動態(tài)權(quán)重定位算法研究[J].電子學(xué)報，2011，39（1）：82-88.

[3]石欣，冉啟可，范敏，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)加權(quán)DV-Distance算法[J].儀器儀表學(xué)報，2013，09：1975-1981.

作者簡介：馮燕（1982-），副教授，碩士，主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位和追蹤。