WSN節(jié)點定位技術及其安全策略

談新理念下IT產業(yè)的發(fā)展無線傳感器網絡節(jié)點

定位技術及其安全策略0WSN定位技術無線傳感器網絡節(jié)點定位：依靠網絡中少量的位置已知的節(jié)點，通過鄰居節(jié)點間有限的通信和某種定位機制確定網絡中所有未知節(jié)點的位置。節(jié)點定位在實際應用中包含兩種含義：

自定位——確定節(jié)點自身在系統(tǒng)中的位置

目標定位——確定目標節(jié)點在系統(tǒng)中的位置0WSN定位技術之基本概念信標節(jié)點：已知自身位置信息的節(jié)點，可通過GPS定位設備或手工配置、確定部署等方式預先獲取位置信息，為其他節(jié)點提供參考坐標。未知節(jié)點：信標節(jié)點以外的節(jié)點統(tǒng)稱為未知節(jié)點，也有文獻稱為盲節(jié)點。鄰居節(jié)點：一個節(jié)點通信距離范圍內的所有節(jié)點的集合。跳數：兩個節(jié)點之間跳段的總數。跳距：兩個節(jié)點之間各跳段的距離之和。節(jié)點定位技術節(jié)點定位機制DV-Hop定位算法節(jié)點安全定位技術123定位系統(tǒng)安全分析節(jié)點安全定位策略DV-Hop定位算法原理算法性能分析算法改進分類基于測距無須測距無線傳感器網絡節(jié)點定位機制1.1定位機制之分類研究人員已經根據不同的研究側重點，對節(jié)點定位技術提出了不同的分類:絕對定位與相對定位緊密耦合與松散耦合集中式計算與分布式計算基于測距的定位算法與無需測距的定位算法1.2定位機制之基于測距的定位技術基于測距的節(jié)點定位方法通過給節(jié)點配備額外設備測量節(jié)點到節(jié)點之間點到點的距離或角度信息，然后利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計法計算出未知節(jié)點位置。RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）將無線信號的傳輸損耗轉換成距離自由空間傳播模型、對數路徑損耗模型等誤差來源：多徑衰落、反射及不規(guī)則傳播等比較粗糙，有±50%誤差1.2定位機制之基于測距的定位技術TOA（TimeofArrival）根據發(fā)送器發(fā)出信號的時間和接收器收到信號的時間差，乘以無線電波在介質中的傳播速度，得到兩者間距離對環(huán)境依賴小、測距精度高需要節(jié)點間精確的時間同步，收發(fā)點之間不能有障礙物，需要重復測存在誤差，圓可能不交于一點，需要使用最小二乘法來估算節(jié)點坐標1.2定位機制之基于測距的定位技術TDOA（TimeDifferenceonArrival）發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據兩種信號到達的時間差以及已知這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之聞的距離，再通過已有基本的定位算法計算出節(jié)點的位置。降低了對節(jié)點間時間同步的要求，但仍需要較精確的計時功能附加特殊的硬件（聲波或者超聲波的收發(fā)器等），這會增加成本環(huán)境對聲速影響大，造成偏差1.2定位機制之基于測距的定位技術AOA（AngleofArrival）接收機通過天線陣列測出電磁波的入射角得到側位線，兩條側位線的交點就是未知節(jié)點最少只需要兩個信標節(jié)點就能實現定位必須配備方向性強的天線陣列，在硬件尺寸和功耗上可能無法用于傳感器節(jié)點1.3定位機制之無須測距的定位技術無須測距的節(jié)點定位方法根據網絡的連通性和信標節(jié)點的位置信息實現相對精確的定位功能。質心法通過收到的位置廣播信息，未知節(jié)點將連接度超過90%的信標節(jié)點加為連通信標節(jié)點集合，并將自身位置確定為所有與之相連的信標節(jié)點所組成的多邊形的質心。假設有k個連通信標節(jié)點，坐標分別為（x1，y1）、（x2，y2）、…、（xk，yk），則未知節(jié)點的坐標（xest，yest）可用質心公式計算為：1.3定位機制之無須測距的定位技術APIT（ApproximatePoint-In-Triangulation）算法基于區(qū)域的定位策略首先未知節(jié)點從所有鄰居信標節(jié)點中任選3個構成一個三角形并判斷自身是否處于該三角形內部；然后對不同信標節(jié)點組合進行重復測試，直到測試完所有組合或者滿足精度要求為止；最后，計算所有包含未知節(jié)點的三角形交集的質心。1.3定位機制之無須測距的定位技術MDS-MAP定位算法屬于集中式算法，可以在基于測距和無須測距兩只情況下運行，采用了一種源自心理測量學和精神物理學的數據分析技術。首先從全局角度生成網絡拓撲連通圖，并為圖中每條邊賦予距離值或者是1，然后使用最短路徑法生成節(jié)點間距矩陣；對節(jié)點間距矩陣應用MDS技術生成整個網絡的相對坐標系統(tǒng)；當擁有足夠信標節(jié)點時，將相對坐標系轉換成絕對坐標系。凸規(guī)則定位法DV-Hop算法利用多跳信標節(jié)點信息的定位策略優(yōu)點是簡單，不依賴于測距精度缺點是僅在各向同性的密集網絡中才能合理估計距離DV-Hop節(jié)點定位算法2.1DV-Hop定位算法原理DV-Hop算法的基本思想是將未知節(jié)點到信標節(jié)點之間的距離用網絡中節(jié)點的平均每跳距離和兩節(jié)點之間跳數的乘積來表示，然后再使用三邊測量法或極大似然估計法來獲得未知節(jié)點的位置信息。DV-Hop算法的定位過程分為以下三個階段：計算未知節(jié)點與每個信標節(jié)點的最小跳數

首先使用典型的距離矢量交換協(xié)議，使網絡中所有節(jié)點獲得與信標節(jié)點之間的跳數。在算法開始的時候，每個信標節(jié)點都發(fā)出一個包括自己位置信息、地址和跳數值為0的位置信息包，它們周圍所有跳數為1的鄰居都收到這樣的信息，將信標節(jié)點的位置信息和跳數記錄下來，并將收到信息包的跳數值加1，再向自己的鄰居節(jié)點廣播。這個過程一直持續(xù)下去，直到網絡中每個節(jié)點都獲得每個信標節(jié)點的位置信息和相應的跳數值為止。2.1DV-Hop定位算法原理計算未知節(jié)點與信標節(jié)點的平均每跳距離

在第二階段，每個信標節(jié)點根據第一階段獲得的其他信標節(jié)點位置和相隔跳數之后，根據下式計算網絡平均每跳距離HopSize。

式中，（xi，xj）、（yi，yj）是信標節(jié)點i和j的坐標，hji是信標節(jié)點i和j（i≠j）之間的跳段數。在實驗中，我們發(fā)現，當總跳數大于一定的值之后，每個節(jié)點所計算的平均每跳距離基本一樣。利用三邊測量法計算自身位置

在未知節(jié)點獲得與3個或3個以上信標節(jié)點的距離后，執(zhí)行三邊測量定位。2.1DV-Hop定位算法原理DV-Hop算法只需要較少的信標節(jié)點，計算和通信開銷適中，不需要節(jié)點具備測距能力，是一個可擴展的算法，但是該算法對信標節(jié)點的密度要求較高，對于各向同性的密集網絡，才可以得到合理的平均每跳距離，從而能夠達到適當的定位精度。2.2DV-Hop定位算法性能分析在無線傳感器網絡中，衡量該定位算法時除了節(jié)點硬件要求之外可能更關注的是該定位算法的定位精度、信標節(jié)點在整個網絡中所占的比例、網絡拓撲結構對定位精度的影響等。下面就從節(jié)點定位精度來看DV-Hop算法在這些方面的表現。信標節(jié)點比例對定位精度的影響一方面，信標節(jié)點的位置信息通常依賴于人工部署或者GPS實現。人工部署受限于環(huán)境同時也限制了網絡的可擴展性；而使用GPS會使得節(jié)點費用比普通節(jié)點高兩個數量級，成本太高。另一方面，無須測距定位算法中，信標節(jié)點比例越高，定位越精確。信標節(jié)點比例和網絡成本需要權衡。2.2DV-Hop定位算法性能分析定位誤差定義為未知節(jié)點經定位算法的估算坐標位置與實際坐標位置間的距離與節(jié)點通信半徑值的比值。在500m*500m的平面內均勻隨機放置200個節(jié)點，節(jié)點通信半徑R=100m。2.2DV-Hop定位算法性能分析網絡拓撲結構對定位精度的影響DV-Hop算法僅在各向同性的密集網絡中，校正值才能被合理的估算。在實際網絡拓撲中，未知節(jié)點與信標節(jié)點間的路徑往往不是直線，而是存在“空洞”，使得估算距離遠大于實際距離，定位精度大打折扣。2.2DV-Hop定位算法性能分析網絡拓撲結構對定位精度的影響DV-Hop算法僅在各向同性的密集網絡中，校正值才能被合理的估算。在實際網絡拓撲中，未知節(jié)點與信標節(jié)點間的路徑往往不是直線，而是存在“空洞”，使得估算距離遠大于實際距離，定位精度大打折扣。2.3DV-Hop定位算法改進基于鄰居節(jié)點空間順序序列優(yōu)化給鄰居節(jié)點進行序列標號，利用標號來估算夾角。L為信標節(jié)點，其余均為未知節(jié)點，且A、C均為B的一跳鄰居節(jié)點。A、C均為B的一跳鄰居節(jié)點，假設B有n個鄰居節(jié)點。2.3DV-Hop定位算法改進基于鄰居節(jié)點空間順序序列優(yōu)化DV-Hop定位算法改進基于節(jié)點重疊度優(yōu)化Num表示P與W重疊的鄰居節(jié)點數，Neighbors表示鄰居節(jié)點個數。在節(jié)點分布均勻的情況下，節(jié)點P與節(jié)點W重疊度大時，∠PQW較小，反之較大。最后利用∠PQW近似代替需要求解的三個節(jié)點通信邊組成的角。2.3無線傳感器網絡節(jié)點安全定位技術3.1定位系統(tǒng)安全分析首先，由于WSN節(jié)點間通信是通過無線電信號作媒介，而無線電信號相對容易捕獲，無線電廣播特性使這些物理屬性很容易被攻擊者復制、阻塞和改變傳播途徑，而且這種外部威脅無法通過傳統(tǒng)的安全技術（如加密和認證）來抵御。目前，絕大多數已有的定位算法或定位系統(tǒng)均是在安全可信的網絡環(huán)境下實施的，忽略了定位過程安全性的脆弱。在WSN網絡中，極易遭受攻擊，從而導致無效或者錯誤的定位造成嚴重后果。所以安全問題不容小視，特別是一些需要多點協(xié)作的網絡，對安全性要求更高，主要表現在以下方面：3.1定位系統(tǒng)安全分析其次，WSN節(jié)點定位機制本身在安全性上欠缺考慮，攻擊者很容易針對這些脆弱性進行攻擊。比如信標節(jié)點為定位系統(tǒng)提供參考信息天然具有不對稱性，未知節(jié)點無法直接鑒別接收的定位參照信息是否含有惡意信息。再次，由于WSN具有開放性部署、無人值守、節(jié)點資源嚴格受限、節(jié)點可能被俘獲等特點，都導致WSN在安全性方面相比于有線網絡存在先天的不足。3.1定位系統(tǒng)安全分析內部攻擊攻擊者可以通過俘獲網絡中的節(jié)點，從而實施相應的攻擊。例如利用俘獲的信標節(jié)點發(fā)送虛假的定位參照信息來誤導未知節(jié)點。外部攻擊外部攻擊與定位系統(tǒng)具體所采用的定位機制和算法密切相關。例如攻擊者可能重新放置已經定位的傳感器節(jié)點，從而導致位置信息失效。3.1定位系統(tǒng)安全分析物理屬性應用實例攻擊方法傳播時延（TOA/TDOA）GPSCricketAHLos阻擋信標傳輸的視線通道，引入多徑時延；暫停、重放信標信息分組；發(fā)射假的超聲波信號等傳播損耗（RSSI）RADARSpotON阻塞并重放不同功率的信標；設置具有吸收功能的障礙物，以削弱信號強度；攻擊者發(fā)送相位相反的信號來抵消原始信號入射角度（AOA）APSAPIT設置反射物來改變信號到達角度；阻擋信標傳輸的視線通道，引入多徑時延3.1定位系統(tǒng)安全分析物理屬性應用實例攻擊方法轉發(fā)跳數DV-Hop以減少跳數為目的的蟲洞攻擊；通過干擾迫使數據包從其他更遠的路徑傳輸的攻擊；針對數據包計算的重放攻擊鄰近關系CentroidSeRLoc通過重放攻擊擴大了信標覆蓋范圍；匯聚A區(qū)聽到的信號并通過蟲洞傳遞到B區(qū)重放；阻塞攻擊等3.2節(jié)點定位安全策略基于魯棒觀測的安全定位策略魯棒觀測主要是利用時間限制、空間限制或者信號編碼技術等安全措施來保護信標物理屬性的完整性。距離界限協(xié)議：被驗證者只有在接收到驗證者發(fā)送的隨機數之后才能進行異或運算和應答，從而限制其通過提前響應來縮短測距。VM定位機制：一種改進型距離界限協(xié)議，采用記錄收發(fā)時間的策略來降低對被驗證者實時處理能力的要求。SeRLoc：每個信標節(jié)點采用多個定向天線向不同扇區(qū)廣播定位信標報文，未知節(jié)點根據接收到的來自多個信標節(jié)點的信標報文確定自身所在的最小交叉區(qū)域Rol，最后通過質心算法CoG來確定自己的坐標。3.2節(jié)點定位安全策略基于魯棒計算的安全定位策略主要針對最小二乘法LS脆弱性問題，通過提高定位計算的魯棒性來增強系統(tǒng)的可靠性和容忍攻擊的能力?；贚MS的魯棒定位機制：通過最小化殘差平方的中值來估算參數，因此單個錯誤數據對代價函數的影響十分有限，不至于出現嚴重偏差。AR-MMSE：根據惡意定位參照總是與正常定位參照具有不一致的觀察結果，將節(jié)點的安全定位問題轉化為搜索最大一致性信標集的問題，然后以平均殘差平方和作為一致性信標集的判定依據，采用貪婪啟發(fā)式算法找出平均殘差平方和小于誤差上限的最大信標集，從而確定節(jié)點位置。通過濾除離群信標節(jié)點來實現系統(tǒng)的魯棒性3.2節(jié)點定位安全策略基于魯棒計算的安全定位策略AtLoc(容忍攻擊的安全定位機制)：該算法以方差的無偏估計作為安全檢測依據，隨機挑出一個最小安全參照集，在此基礎上，將最小安全參照集的預測殘差作為依據逐個診斷剩余的參照點，并將其中的良性參照數據擴充到定位參照集3.2節(jié)點定位安全策略基于魯棒計算的安全定位策略——AtLoc3.2節(jié)點定位安全策略基于惡意信標節(jié)點檢測/隔離的安全措施在WSN定位系統(tǒng)中，信標節(jié)點可以充當檢查點相互監(jiān)