一種魯棒的安全定位算法

摘 要：在基于無線傳感網絡的定位設計中，信標節點的部署是一個至關重要的因素。目前大部分的定位算法都需要在監測區域內部署許多的信標節點。然而，在有攻擊的環境下，這些信標節點很容易受到惡意節點的攻擊。針對這一個問題，提出了只在無線傳感器網絡監測區域的邊界上部署少量的節點估算未知節點的位置，并通過信標節點之間通信來對其進行驗證。

關鍵詞：無線傳感網絡；定位；測距；惡意攻擊

1 概述

目前，隨著無線通信技術和網絡技術的發展，無線傳感器網絡[1]（Wireless Sensor Networks，WSN）得到了前所未有的關注，可以被廣泛的應用于各種應用中，如軍事監測、醫療保健、智能家居、追蹤和環境監測等[2]。

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

本文針對網絡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個信標節點，這些信標節點被部署在監測區域的邊界上，將信標節點等距的部署在監測區域的邊界上，采用未知節點和信標節點之間的最小跳數估計兩者之間的距離，代替應用噪聲模型。通過信標節點之間的相互通信來識別惡意信標節點。

2 未知節點的距離估計

本文分析在監測區域的邊界部署少量信標節點（小于16個）估計未知節點的位置。設無線傳感器網絡中有k個信標節點，其中k∈[2，16]。且每個信標節點廣播一個數據包給它的鄰居節點，這個數據包中包含以下2個字段：（1）Min_hc，表示到源節點的最小跳數，初始值為0；（2）源信標節點ID。

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

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

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，所有節點都需要計算出與信標節點之間的最小跳數，每個信標節點都需要進行一次洪泛操作。而且，每個信標節點都需要計算出它的平均每跳距離，每個信標節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點。因此，DV-Hop算法需要進行的洪泛操作是網絡中信標節點數目的兩倍。對于每個未知節點，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是可變的，其迭代次數從2到100不等。而提出的算法為了讓未知節點得到所有到信標節點的最小跳數，需要進行k次洪泛操作。通過選擇一個合適的？琢，每個未知節點估計它到k個信標節點的距離。在一個有限的步驟內，利用最小二乘多點定位法計算出未知節點的坐標。其定位性能明顯優于已有的定位算法。

5 結束語

無線傳感網絡一般部署在無人值守的區域，很容易都到惡意節點的攻擊，當前大部分傳感網絡需要部署大量的信標節點，這些信標節點很容易受到惡意攻擊從而破壞整個網絡的定位。通過只在無線傳感器網絡監測區域的邊界上部署少量的節點估算未知節點的位置，并通過信標節點之間通信來對其進行驗證實現對網絡的安全定位。

參考文獻

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

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

[3]石欣，冉啟可，范敏，等.無線傳感器網絡動態加權DV-Distance算法[J].儀器儀表學報，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絡定位和追蹤。