WSN節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)及其安全策略

談新理念下IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

定位技術(shù)及其安全策略0WSN定位技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位：依靠網(wǎng)絡(luò)中少量的位置已知的節(jié)點(diǎn)，通過鄰居節(jié)點(diǎn)間有限的通信和某種定位機(jī)制確定網(wǎng)絡(luò)中所有未知節(jié)點(diǎn)的位置。節(jié)點(diǎn)定位在實(shí)際應(yīng)用中包含兩種含義：

自定位——確定節(jié)點(diǎn)自身在系統(tǒng)中的位置

目標(biāo)定位——確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中的位置0WSN定位技術(shù)之基本概念信標(biāo)節(jié)點(diǎn)：已知自身位置信息的節(jié)點(diǎn)，可通過GPS定位設(shè)備或手工配置、確定部署等方式預(yù)先獲取位置信息，為其他節(jié)點(diǎn)提供參考坐標(biāo)。未知節(jié)點(diǎn)：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱為未知節(jié)點(diǎn)，也有文獻(xiàn)稱為盲節(jié)點(diǎn)。鄰居節(jié)點(diǎn)：一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信距離范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的集合。跳數(shù)：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間跳段的總數(shù)。跳距：兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間各跳段的距離之和。節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制DV-Hop定位算法節(jié)點(diǎn)安全定位技術(shù)123定位系統(tǒng)安全分析節(jié)點(diǎn)安全定位策略DV-Hop定位算法原理算法性能分析算法改進(jìn)分類基于測距無須測距無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位機(jī)制1.1定位機(jī)制之分類研究人員已經(jīng)根據(jù)不同的研究側(cè)重點(diǎn)，對節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)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(jì)算與分布式計(jì)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(jī)制之基于測距的定位技術(shù)基于測距的節(jié)點(diǎn)定位方法通過給節(jié)點(diǎn)配備額外設(shè)備測量節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)到點(diǎn)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(jì)法計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)位置。RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator）將無線信號(hào)的傳輸損耗轉(zhuǎn)換成距離自由空間傳播模型、對數(shù)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(jī)制之基于測距的定位技術(shù)TOA（TimeofArrival）根據(jù)發(fā)送器發(fā)出信號(hào)的時(shí)間和接收器收到信號(hào)的時(shí)間差，乘以無線電波在介質(zhì)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(diǎn)間精確的時(shí)間同步，收發(fā)點(diǎn)之間不能有障礙物，需要重復(fù)測存在誤差，圓可能不交于一點(diǎn)，需要使用最小二乘法來估算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)1.2定位機(jī)制之基于測距的定位技術(shù)TDOA（TimeDifferenceonArrival）發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及已知這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之聞的距離，再通過已有基本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。降低了對節(jié)點(diǎn)間時(shí)間同步的要求，但仍需要較精確的計(jì)時(shí)功能附加特殊的硬件（聲波或者超聲波的收發(fā)器等），這會(huì)增加成本環(huán)境對聲速影響大，造成偏差1.2定位機(jī)制之基于測距的定位技術(shù)AOA（AngleofArrival）接收機(jī)通過天線陣列測出電磁波的入射角得到側(cè)位線，兩條側(cè)位線的交點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)最少只需要兩個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)就能實(shí)現(xiàn)定位必須配備方向性強(qiáng)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(diǎn)1.3定位機(jī)制之無須測距的定位技術(shù)無須測距的節(jié)點(diǎn)定位方法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息實(shí)現(xiàn)相對精確的定位功能。質(zhì)心法通過收到的位置廣播信息，未知節(jié)點(diǎn)將連接度超過90%的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)加為連通信標(biāo)節(jié)點(diǎn)集合，并將自身位置確定為所有與之相連的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。假設(shè)有k個(gè)連通信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2，y2）、…、（xk，yk），則未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（xest，yest）可用質(zhì)心公式計(jì)算為：1.3定位機(jī)制之無須測距的定位技術(shù)APIT（ApproximatePoint-In-Triangulation）算法基于區(qū)域的定位策略首先未知節(jié)點(diǎn)從所有鄰居信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中任選3個(gè)構(gòu)成一個(gè)三角形并判斷自身是否處于該三角形內(nèi)部；然后對不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)組合進(jìn)行重復(fù)測試，直到測試完所有組合或者滿足精度要求為止；最后，計(jì)算所有包含未知節(jié)點(diǎn)的三角形交集的質(zhì)心。1.3定位機(jī)制之無須測距的定位技術(shù)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(yùn)行，采用了一種源自心理測量學(xué)和精神物理學(xué)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。首先從全局角度生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B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(diǎn)間距矩陣；對節(jié)點(diǎn)間距矩陣應(yīng)用MDS技術(shù)生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的相對坐標(biāo)系統(tǒng)；當(dāng)擁有足夠信標(biāo)節(jié)點(diǎn)時(shí)，將相對坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系。凸規(guī)則定位法DV-Hop算法利用多跳信標(biāo)節(jié)點(diǎn)信息的定位策略優(yōu)點(diǎn)是簡單，不依賴于測距精度缺點(diǎn)是僅在各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)中才能合理估計(jì)距離DV-Hop節(jié)點(diǎn)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(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離用網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離和兩節(jié)點(diǎn)之間跳數(shù)的乘積來表示，然后再使用三邊測量法或極大似然估計(jì)法來獲得未知節(jié)點(diǎn)的位置信息。DV-Hop算法的定位過程分為以下三個(gè)階段：計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)

首先使用典型的距離矢量交換協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)獲得與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。在算法開始的時(shí)候，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)都發(fā)出一個(gè)包括自己位置信息、地址和跳數(shù)值為0的位置信息包，它們周圍所有跳數(shù)為1的鄰居都收到這樣的信息，將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息和跳數(shù)記錄下來，并將收到信息包的跳數(shù)值加1，再向自己的鄰居節(jié)點(diǎn)廣播。這個(gè)過程一直持續(xù)下去，直到網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息和相應(yīng)的跳數(shù)值為止。2.1DV-Hop定位算法原理計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的平均每跳距離

在第二階段，每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)第一階段獲得的其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置和相隔跳數(shù)之后，根據(jù)下式計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離HopSize。

式中，（xi，xj）、（yi，yj）是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i和j的坐標(biāo)，hji是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)i和j（i≠j）之間的跳段數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)總跳數(shù)大于一定的值之后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所計(jì)算的平均每跳距離基本一樣。利用三邊測量法計(jì)算自身位置

在未知節(jié)點(diǎn)獲得與3個(gè)或3個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(biāo)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算和通信開銷適中，不需要節(jié)點(diǎn)具備測距能力，是一個(gè)可擴(kuò)展的算法，但是該算法對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度要求較高，對于各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)，才可以得到合理的平均每跳距離，從而能夠達(dá)到適當(dāng)?shù)亩ㄎ痪取?.2DV-Hop定位算法性能分析在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，衡量該定位算法時(shí)除了節(jié)點(diǎn)硬件要求之外可能更關(guān)注的是該定位算法的定位精度、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所占的比例、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對定位精度的影響等。下面就從節(jié)點(diǎn)定位精度來看DV-Hop算法在這些方面的表現(xiàn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例對定位精度的影響一方面，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息通常依賴于人工部署或者GPS實(shí)現(xiàn)。人工部署受限于環(huán)境同時(shí)也限制了網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性；而使用GPS會(huì)使得節(jié)點(diǎn)費(fèi)用比普通節(jié)點(diǎn)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，成本太高。另一方面，無須測距定位算法中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例越高，定位越精確。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)比例和網(wǎng)絡(luò)成本需要權(quán)衡。2.2DV-Hop定位算法性能分析定位誤差定義為未知節(jié)點(diǎn)經(jīng)定位算法的估算坐標(biāo)位置與實(shí)際坐標(biāo)位置間的距離與節(jié)點(diǎn)通信半徑值的比值。在500m*500m的平面內(nèi)均勻隨機(jī)放置200個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑R=100m。2.2DV-Hop定位算法性能分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對定位精度的影響DV-Hop算法僅在各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)中，校正值才能被合理的估算。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，未知?jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的路徑往往不是直線，而是存在“空洞”，使得估算距離遠(yuǎn)大于實(shí)際距離，定位精度大打折扣。2.2DV-Hop定位算法性能分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對定位精度的影響DV-Hop算法僅在各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)中，校正值才能被合理的估算。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校粗?jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的路徑往往不是直線，而是存在“空洞”，使得估算距離遠(yuǎn)大于實(shí)際距離，定位精度大打折扣。2.3DV-Hop定位算法改進(jìn)基于鄰居節(jié)點(diǎn)空間順序序列優(yōu)化給鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行序列標(biāo)號(hào)，利用標(biāo)號(hào)來估算夾角。L為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其余均為未知節(jié)點(diǎn)，且A、C均為B的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)。A、C均為B的一跳鄰居節(jié)點(diǎn)，假設(shè)B有n個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。2.3DV-Hop定位算法改進(jìn)基于鄰居節(jié)點(diǎn)空間順序序列優(yōu)化DV-Hop定位算法改進(jìn)基于節(jié)點(diǎn)重疊度優(yōu)化Num表示P與W重疊的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)，Neighbors表示鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。在節(jié)點(diǎn)分布均勻的情況下，節(jié)點(diǎn)P與節(jié)點(diǎn)W重疊度大時(shí)，∠PQW較小，反之較大。最后利用∠PQW近似代替需要求解的三個(gè)節(jié)點(diǎn)通信邊組成的角。2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)安全定位技術(shù)3.1定位系統(tǒng)安全分析首先，由于WSN節(jié)點(diǎn)間通信是通過無線電信號(hào)作媒介，而無線電信號(hào)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(fù)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(shù)（如加密和認(rèn)證）來抵御。目前，絕大多數(shù)已有的定位算法或定位系統(tǒng)均是在安全可信的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)施的，忽略了定位過程安全性的脆弱。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，極易遭受攻擊，從而導(dǎo)致無效或者錯(cuò)誤的定位造成嚴(yán)重后果。所以安全問題不容小視，特別是一些需要多點(diǎn)協(xié)作的網(wǎng)絡(luò)，對安全性要求更高，主要表現(xiàn)在以下方面：3.1定位系統(tǒng)安全分析其次，WSN節(jié)點(diǎn)定位機(jī)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(jìn)行攻擊。比如信標(biāo)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)資源嚴(yán)格受限、節(jié)點(diǎn)可能被俘獲等特點(diǎn)，都導(dǎo)致WSN在安全性方面相比于有線網(wǎng)絡(luò)存在先天的不足。3.1定位系統(tǒng)安全分析內(nèi)部攻擊攻擊者可以通過俘獲網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)施相應(yīng)的攻擊。例如利用俘獲的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送虛假的定位參照信息來誤導(dǎo)未知節(jié)點(diǎn)。外部攻擊外部攻擊與定位系統(tǒng)具體所采用的定位機(jī)制和算法密切相關(guān)。例如攻擊者可能重新放置已經(jīng)定位的傳感器節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致位置信息失效。3.1定位系統(tǒng)安全分析物理屬性應(yīng)用實(shí)例攻擊方法傳播時(shí)延（TOA/TDOA）GPSCricketAHLos阻擋信標(biāo)傳輸?shù)囊暰€通道，引入多徑時(shí)延；暫停、重放信標(biāo)信息分組；發(fā)射假的超聲波信號(hào)等傳播損耗（RSSI）RADARSpotON阻塞并重放不同功率的信標(biāo)；設(shè)置具有吸收功能的障礙物，以削弱信號(hào)強(qiáng)度；攻擊者發(fā)送相位相反的信號(hào)來抵消原始信號(hào)入射角度（AOA）APSAPIT設(shè)置反射物來改變信號(hào)到達(dá)角度；阻擋信標(biāo)傳輸?shù)囊暰€通道，引入多徑時(shí)延3.1定位系統(tǒng)安全分析物理屬性應(yīng)用實(shí)例攻擊方法轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)DV-Hop以減少跳數(shù)為目的的蟲洞攻擊；通過干擾迫使數(shù)據(jù)包從其他更遠(yuǎn)的路徑傳輸?shù)墓簦会槍?shù)據(jù)包計(jì)算的重放攻擊鄰近關(guān)系CentroidSeRLoc通過重放攻擊擴(kuò)大了信標(biāo)覆蓋范圍；匯聚A區(qū)聽到的信號(hào)并通過蟲洞傳遞到B區(qū)重放；阻塞攻擊等3.2節(jié)點(diǎn)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(shí)間限制、空間限制或者信號(hào)編碼技術(shù)等安全措施來保護(hù)信標(biāo)物理屬性的完整性。距離界限協(xié)議：被驗(yàn)證者只有在接收到驗(yàn)證者發(fā)送的隨機(jī)數(shù)之后才能進(jìn)行異或運(yùn)算和應(yīng)答，從而限制其通過提前響應(yīng)來縮短測距。VM定位機(jī)制：一種改進(jìn)型距離界限協(xié)議，采用記錄收發(fā)時(shí)間的策略來降低對被驗(yàn)證者實(shí)時(shí)處理能力的要求。SeRLoc：每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)采用多個(gè)定向天線向不同扇區(qū)廣播定位信標(biāo)報(bào)文，未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的來自多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)報(bào)文確定自身所在的最小交叉區(qū)域Rol，最后通過質(zhì)心算法CoG來確定自己的坐標(biāo)。3.2節(jié)點(diǎn)定位安全策略基于魯棒計(jì)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(jì)算的魯棒性來增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和容忍攻擊的能力。基于LMS的魯棒定位機(jī)制：通過最小化殘差平方的中值來估算參數(shù)，因此單個(gè)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對代價(jià)函數(shù)的影響十分有限，不至于出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。AR-MMSE：根據(jù)惡意定位參照總是與正常定位參照具有不一致的觀察結(jié)果，將節(jié)點(diǎn)的安全定位問題轉(zhuǎn)化為搜索最大一致性信標(biāo)集的問題，然后以平均殘差平方和作為一致性信標(biāo)集的判定依據(jù)，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(biāo)集，從而確定節(jié)點(diǎn)位置。通過濾除離群信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒性3.2節(jié)點(diǎn)定位安全策略基于魯棒計(jì)算的安全定位策略AtLoc(容忍攻擊的安全定位機(jī)制)：該算法以方差的無偏估計(jì)作為安全檢測依據(jù)，隨機(jī)挑出一個(gè)最小安全參照集，在此基礎(chǔ)上，將最小安全參照集的預(yù)測殘差作為依據(jù)逐個(gè)診斷剩余的參照點(diǎn)，并將其中的良性參照數(shù)據(jù)擴(kuò)充到定位參照集3.2節(jié)點(diǎn)定位安全策略基于魯棒計(jì)算的安全定位策略——AtLoc3.2節(jié)點(diǎn)定位安全策略基于惡意信標(biāo)節(jié)點(diǎn)檢測/隔離的安全措施在WSN定位系統(tǒng)中，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)檢查點(diǎn)相互監(jiān)