一种鲁棒的安全定位算法

摘 要：在基于无线传感网络的定位设计中，信标节点的部署是一个至关重要的因素。目前大部分的定位算法都需要在监测区域内部署许多的信标节点。然而，在有攻击的环境下，这些信标节点很容易受到恶意节点的攻击。针对这一个问题，提出了只在无线传感器网络监测区域的边界上部署少量的节点估算未知节点的位置，并通过信标节点之间通信来对其进行验证。

关键词：无线传感网络；定位；测距；恶意攻击

1 概述

目前，随着无线通信技术和网络技术的发展，无线传感器网络[1]（Wireless Sensor Networks，WSN）得到了前所未有的关注，可以被广泛的应用于各种应用中，如军事监测、医疗保健、智能家居、追踪和环境监测等[2]。

定位一般是指在一个可接受的精度条件下，确定一个未知节点的绝对坐标或相对坐标的能力。未知节点的定位精度一般会受到信标节点坐标的影响。文献[3]旨在寻找一种信标节点最优部署方案，该方案能够让所有目标节点的定位精度最高。通过选择3到8个信标节点情况下的最优信标节点部署方案。结果表明，当存在4到8个信标节点时，将信标节点等距的部署在一个正方形测试区域的边界上，可以得到最小的平均克拉米罗值。

本文针对网络中会存在恶意攻击的情况，提出了一个鲁棒的、低成本的、有效的定位方案。提出的方案最多只需要16个信标节点，这些信标节点被部署在监测区域的边界上，将信标节点等距的部署在监测区域的边界上，采用未知节点和信标节点之间的最小跳数估计两者之间的距离，代替应用噪声模型。通过信标节点之间的相互通信来识别恶意信标节点。

2 未知节点的距离估计

本文分析在监测区域的边界部署少量信标节点（小于16个）估计未知节点的位置。设无线传感器网络中有k个信标节点，其中k∈[2，16]。且每个信标节点广播一个数据包给它的邻居节点，这个数据包中包含以下2个字段：（1）Min_hc，表示到源节点的最小跳数，初始值为0；（2）源信标节点ID。

每个传感器节点存储一个k元组（hop1，hop2，…，hopk），其中，hopi表示该节点到信标节点i（1？燮i？燮k）的当前最小跳数。k元组中的每个元素的初始值设为正无穷大。一旦传感器节点接收到从信标节点i发送的信息包，它检查信息包中Min_hc的值，如果传感器节点中的hopi的值大于（Min_hc+1），则传感器节点在将该信息包转发给它的邻居节点之前，将信息包内的Min_hc值增加1，并将对应的hopi的值更新为Min_hc，否则，丢弃当前接收到的信息包。

当所有的未知节点完成上面的过程后，每个未知节点都将得到自己到每个信标节点的最小跳数值。将每个未知节点对应的跳数值表示为一个k元组（hop1，hop2，…，hopk），其中，hopi表示该节点到信标节点i（1？燮i？燮k）的当前最小跳数。

3 安全定位

4 性能分析

对提出的算法和DV-Hop算法分别进行仿真，分析提出算法的性能。在DV-Hop算法中，所有节点都需要计算出与信标节点之间的最小跳数，每个信标节点都需要进行一次洪泛操作。而且，每个信标节点都需要计算出它的平均每跳距离，每个信标节点都需要进行一次额外的洪泛操作，将它的平均每跳距离广播给未知节点。因此，DV-Hop算法需要进行的洪泛操作是网络中信标节点数目的两倍。对于每个未知节点，采用三边定位方法进行定位，为了收敛于一个固定值，该方法需要进行的迭代次数是可变的，其迭代次数从2到100不等。而提出的算法为了让未知节点得到所有到信标节点的最小跳数，需要进行k次洪泛操作。通过选择一个合适的？琢，每个未知节点估计它到k个信标节点的距离。在一个有限的步骤内，利用最小二乘多点定位法计算出未知节点的坐标。其定位性能明显优于已有的定位算法。

5 结束语

无线传感网络一般部署在无人值守的区域，很容易都到恶意节点的攻击，当前大部分传感网络需要部署大量的信标节点，这些信标节点很容易受到恶意攻击从而破坏整个网络的定位。通过只在无线传感器网络监测区域的边界上部署少量的节点估算未知节点的位置，并通过信标节点之间通信来对其进行验证实现对网络的安全定位。

参考文献

[1]劉雪兰，王宜怀，陆全华，等.无线传感器网络RSSI定位算法改进[J].计算机应用与软件，2013，11：87-89.

[2]詹杰，刘宏立，刘述钢，等.基于RSSI的动态权重定位算法研究[J].电子学报，2011，39（1）：82-88.

[3]石欣，冉启可，范敏，等.无线传感器网络动态加权DV-Distance算法[J].仪器仪表学报，2013，09：1975-1981.

作者简介：冯燕（1982-），副教授，硕士，主要研究方向为无线传感网络定位和追踪。