無線傳感網絡在海上作戰定位系統中的作用

葛君山

(江蘇海事職業技術學院,江蘇 南京 211170)

無線傳感網絡在海上作戰定位系統中的作用

葛君山

(江蘇海事職業技術學院,江蘇 南京 211170)

摘要：對艦船位置的精確定位及信息反饋在現代化海上作戰指揮系統中尤為重要。無線傳感網絡由眾多具有數據采集、信息處理及無線通信傳感器節點組成的網絡，它作為海上目標定位及信息傳輸關鍵網絡在作戰中起到關鍵作用。本文首先分析海上作戰無線傳感網絡結構，研究了網絡的可靠性、安全性及定位精確性問題。最后設計一種RSSI傳感網絡穩定定位方法，通過對采集信息的分層采樣及對無線傳感網絡的離散化處理，提高了定位精度。

關鍵詞：無線傳感網絡；數據采集；RSSI

0引言

在現代海上作戰系統中，對艦隊單個節點位置等信息的精確、快速獲取成為制約戰爭成敗的關鍵。而無線傳感網絡由于具有分布式的信息處理、節點之間的同步通信以及方便的部署條件等優點在整個海上作戰系統中得到了廣泛的應用。但現有的無線傳感網絡交易受到對方攻擊，對定位的精確性造成較大的影響，同時通信傳輸也存在較大的不安全因素。

本文首先對現有的無線傳感網絡在單節點定位的精確性及安全性進行討論，分析了現有措施的利弊。重點研究了現有無線傳感網絡中的RSSI定位算法，對算法在移動過程中的定位精確性、穩定性問題進行討論。最后本文改進現有的RSSI定位算法，通過對傳感器采集信號的多重采樣、對算法結果進行二次離散化及歸一化調整，提高了無線傳感網絡定位的穩定性。

最后，本文對算法進行了仿真試驗，實驗結果表明，優化后的RSSI定位算法同時在精度及穩定性方面都得到了很大的提升。

1無線傳感網絡定位可靠性描述

1.1　無線傳感節點及網絡結構

無線傳感網絡是由單個的具有數據采集、信息處理及通信傳輸等單節點通過無線通信協議組成網絡。網絡中的單一節點主要由通信收發器(如GPRS)、信號處理存儲單元及數據采集單元組成。傳感器節點組成如圖1所示。

圖1　無線傳感網絡節點組成圖Fig.1　Diagram of wireless sensor network node composition

海面作戰系統的無線傳感網絡除了單個節點組成的傳感器網絡外，還需要與作戰指揮系統連接。SINK節點是聯系傳感器節點內部網絡與外部網絡的橋梁，由于2種網絡協議可以不同，SINK還擔負起不同通信協議轉換功能。它接收內部傳感器節點采集的信號并傳輸至外部網絡；同時也接收外部的命令信息轉發到內部傳感器節點網絡。所以SINK必須有較強的通信協議融合能力及存儲計算能力。

1.2　無線傳感網絡可靠性定位描述

在無線傳感網絡研究領域中，對于單個節點的定位以及節點與節點之間的定位一直是其重要的課題。經過多年的發展，可以將眾多的定位算法分為以下幾類：

1)相對定位及絕對定位算法：如利用GPS信號確定節點經緯度坐標為絕對定位；而以傳感器節點網絡中的某一節點為參考點，通過傳感器信息傳輸獲取其他節點相對參考點的坐標為相對定位，如Spot ON、LPS算法。

2)精度定位及粗略定位：根據與參考點中間的信號幅值及時間片段得到離參考點具體的距離及方向為精度定位，如RADAR；而粗略定位只是利用與參考點的物理感知獲取遠近信息，如Active Badge。

3)測量輔助定位及無測量輔助定位：測量輔助定位需通過技術手段測量節點與節點的距離及角度，從而利用最大似然估計法建立節點坐標，如TOA、RSSI；而僅利用傳感網絡的連接方式獲取位置信息稱為無測量輔助定位，如DV-hop、質心算法。

無線傳感網絡是一個開放網絡，在定位中較易收到攻擊。攻擊者主要利用攻擊傳感器節點位置信息傳輸的無線通信鏈路，主要的攻擊方式有以下2種：

1)針對測量輔助定位算法的攻擊：攻擊者可以惡意改變參考節點信息或進行信號傳輸過程中的無線電干擾來對網絡節點定位進行破壞，從而降低定位精度甚至造成錯誤定位。

2)針對無測量輔助定位算法的攻擊：如在質心算法中，可以通過攻擊隔離的相鄰父或兄弟節點，如在這些節點附近增加信號干擾器，從而降低定位精度。

2基于對稱密碼反攻擊安全定位

2.1　算法描述

由于無線傳感網絡的開放性及無線鏈路易受到攻擊，本文針對一種攻擊模式-偽裝攻擊，提出了一種對稱密碼來對攻擊信號進行過濾。

偽裝攻擊主要攻擊手段是通過無線鏈路向傳感器節點網絡廣播虛假位置信息從而影響定位精度。這里，通過對原始信息進行對稱性加密，在接受節點進行解密認證，沒通過認證的信息即視為偽造信息，對此進行過濾。

基于對稱密碼反攻擊安全定位算法分為以下3個步驟：

1)在無線傳感網絡中，參考節點在向其他節點發送信息前先計算自身的私匙及hash認證碼。同時網絡所有節點約定全局共享密匙，在節點之間信息傳輸使用共享密匙進行加密認證。

2)網絡中非參考節點在接收到參考點發送的廣播消息，首先利用共享密匙進行消息解密，再讀取解密消息中攜帶的節點約定符以及自身的私匙，對廣播消息進行認證。

3)通過認證的消息進入定位算法源信息庫，否則直接拋棄。

這里，使用對稱性密匙DES和RC5進行加密。設無線傳感網絡公共對稱密匙為k，參考節點廣播信息m通過k加密后變為Ek(m)，其他節點接收信息M解密后為Dk(M)。網絡中單個節點總數為N，標記為ID1,ID2,…IDN，mi(i=1,2,…，N)為第i個節點將要發送的信息，加入hash認證信息后為hash(mi)；同樣Mi(i=1,2,…，N)為第i個節點接收的信息，加入hash認證信息后為hash(Mi)。ki(i=1,2,…，N)為第i個節點將要發送的信息私匙，它是利用函數f(IDi,K)得到的。最后通過函數f(Mi)進行定位。

最后，假設無線傳感網絡節點的坐標預估值為(Xe,Ye)，真實位置為(Xa,Ya)，則最終的誤差值為：

(1)

2.2　算法實驗

整個實驗基于MicaZ構建的節點平臺，通信協議為IEEE802.15.4，信號傳輸波段為2.4 GHz，信號傳輸速率最高為250 kpbs，利用質心算法進行信號對稱性加密及認證。模擬區域為5×5 m的方格，整個無線傳感網絡由7個單節點組成，其中4個合法節點，3個偽裝節點， 4個合法節點在模擬區域的4個頂點，設坐標分別為(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)；3個偽裝節點坐標分別為(0,3)、(2,1)、(3,3)。最后定位的系統誤差曲線如圖2所示。

圖2　三種情況下的定位誤差曲線Fig.2　Curve of positioning error under three different conditions

3改進型RSSI傳感網絡穩定定位方法

3.1　算法原理及模型

無線傳感網絡的RSSI算法是在質心定位算法的基礎上，通過加強網絡連通性發展而來。假設網絡中參考節點以一定周期向它的兄弟節點廣播攜帶自身位置與標識符的信息包。當其他節點接收到來自多個參考節點攜帶有位置信息的消息時，設定一個接收數量閥值N或時間閥值，當達到這個閥值時，則計算出每個參考節點的RSSI值，并將其標記為與強度有關的信號量。由無線信道衰減原理可知，目標位置最終接受的信號強度與發射點的距離α成反比，所以其他節點可根據接收到的信號強度來設計不同的參考點權值，最后根據權值與參考節點定位的歸一化，得到自身的位置,計算式如下：

(2)

式中(Xest,Yest)為傳感器網絡節點位置；Pi(i=1,2,…N)為節點t時接收到的第i個參考節點的信號強度；α為信道衰減系數。通過此式可推理出，與質心算法相比，定位精度會得到一定的提升，但是穩定性并沒有改變。

1)針對接收信號多重采樣

在未改進前的RSSI算法對接收信號是一次采樣，意思是接收到信號即利用它進行定位，并沒有一個篩選過程。而我們知道，由于無線信號在海面傳播過程中的衰減、多徑、噪聲及折射反射等干擾因素，不同時刻對參考點計算的RSSI值不同，表1為節點至參考點距離為4 m，不同時刻測量的RSSI值。

表1　不同時刻的RSSI測量值

為了平滑RSSI值，采取對信號的多重采樣。

2)離散化定位

這里提出離散化定位思想，即將整體無線傳感網絡劃分為邊長相等的子網絡，在子網中的節點將統一歸至該網絡的質心處。

設L(t)為t時刻利用改進前的RSSI算法計算的整個無線傳感網絡坐標(Xest,Yest)，進行離散化后用DL(t)表示；DL(t).x為離散化后的橫坐標，DL(t).y為離散化后的縱坐標；gl為離散子網的方格長度；β為介于0~1的系數。

離散化方法為：假設在t時刻得到的離散化前節點位置橫坐標為L(t).x，縱坐標為L(t).y；在它前一時刻離散化后的橫坐標為DL(t).x， 縱坐標為DL(t).y；兩者之間的差比(1+β)×gl/2小，則t時刻離散化后的位置保持不變，否則將之歸一化到與離散化前L(t)相對應的子網格中，如圖3所示。

圖3　節點位置離散化圖Fig.3　Node location discrete map

3.2　實驗結果

整個實驗基于MicaZ構建的節點平臺，模擬區域5×5 m的方格， 4個合法節點在模擬區域的4個頂點，設坐標分別為(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)。然后將這個區域離散化為25個1×1 m的方格，最后選取10個未知節點對其進行坐標計算。

根據海面無線信道衰減理論，設α(1.9≤α≤2.1)，則普通質心算法、RSSI算法及改進后的RSSI穩定算法的比較如表2所示。

表2　三種算法定位誤差及定位穩定性比較表

從表2可看出，質心算法的穩定性最高，但是其誤差較大，RSSI算法正好相反，改進后RSSI穩定算法對于穩定性和平均誤差都得到較大的提升。

圖4給出了3種算法誤差概率分布圖。

圖4　三種算法定位誤差概率圖Fig.4　The map of positioning error probability

4結語

本文重點研究了海面作戰指揮系統中的無線傳感網絡定位技術，針對網絡易受攻擊的特點，提出了基于對稱密碼反攻擊安全定位；同時研究了質心定位算法及RSSI算法利弊，改進了現有算法，提出了一種改進型RSSI傳感網絡穩定定位方法，通過實驗證明其在定位穩定性及誤差性能方面都能滿足要求，有很高的實用性。

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Research on the wireless sensor network of maritime combat positioning system

GE Jun-shan

(Jiangsu Maritime Institute,Nanjing 211170,China)

Abstract：To obtain the precise positioning of ship and other information quickly is especially important to maritime combat command system, wireless sensor network become an important part of the combat command system. This paper analyzes architecture of wireless sensor network and research the reliability and security of the network. Finally, design a stable positioning method based on RSSI.

Key words：wireless sensor network;data acquisition;RSSI

作者簡介：葛君山(1965-)，男，副教授，研究方向為電氣自動化技術。

基金項目：中國交通教育研究會交教研課題資助項目(1402-233)；2014-2016年度教育科學研究課題資助項目

收稿日期：2014-08-19； 修回日期： 2014-12-03

文章編號：1672-7649(2015)02-0184-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.041

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A