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无线传感器网络基于统计方法的鲁棒定位研究

发布时间:2012-10-26 14:23 论文编辑:gufeng 所属栏目:工程论文 关键词: 无线传感器网络鲁棒定位最小二乘法最小中值

本章研究在怎样的条件下能够存在安全定位算法并给出安全定位的误差范围;

2WSN节点安全定位


2.1概述
目前已经有一些系统和算法能够坚决无线传感器网络的自身定位问题,它们在用于定位的物理现象、网络组成、能量需求等许多方面有所不同。需要指出的是,绝大多数已有的无线传感器网络节点定位系统均假顶安全可信的网络环境,忽略了定位过程中的安全问题;然而无线传感器网络的开放性和无人值守使得节点在定位过程中极易受到来自恶意节点或者被俘节点的攻击。针对定位的攻击可能会导致严重后果,攻击所致的定位误差会产生错误甚至完全相反的监测结果,直接后果就是网络功能局部失效或者整体擁瘦等等。像战场的区域监视这一类具有重要意义的无线传感器网络应用,会因为错误的定位结果造成难以想象的严重损失。因此,一个虽待解决的重要问题就是如何为可能存在敌对攻击的无线传感器网络应用提供节点定位系统保障节点定位安全。本章首先比较和分析不同定位技术所面临的攻击种类,再对已提出的各种安全措施的实现原理、局限、特点和彼此间的联系进行一定的探讨,并对相关领域的研究方向进行展望。


2.2 WSN节点定位系统
节点定位即传感器节点获得自身地理位置信息。大多数的传感器网络节点系统一般采用信标节点辅助定位的定位方案,原因是受传感器价格、功耗等诸多因素的限制。信标节点可以通过GPS ( global position system)定位等手段获取自身位置信息,并将包含位置参照信息的信标报文发送给其他普通节点以建立坐标系统。未知节点的定位,首先是测量或估算该节点与多个邻居信标节点的位置关系,诸如角度、距离或区域包含关系等等;然后可由该未知节点、信标节点或者其他权威节点利用这些位置关系和特定算法计算出未知节点的坐标,通常算法包含三边测量法、三角测量法和极大似然估计法等。定位系统根据是否实际测量节点间的位置关系,分为基于测距(range-based )和无需测距(range-free)两类定位。基于测距的定位,常用测量技术如TOA(tinieof arrival), TDOA (time difference of arrival )、AOA ( angle of arrival)和 RSSI(received signal strength indicator ),用于测量节点到节点间的距离或角度。无需测距的定位,常用算法有质心算法、APIT ( approximate point-in-triangulation test)算法、DV-Hop算法、Amorphous算法等,利用网络连通性等估算节点之间的位置关系。前两种算法根据邻节点来确定包含未知节点的区域,以这个区域的质心作为未知节点的坐标;而后两种算法都是首先计算未知节点与信标节点之间的最小跳数,信标节点估算出平均每条的距离后乘以最小跳数,得出要估算的距离这种定位方法际上就是基于距离向量(distance vector )。
2.2.1基于测距的定位方法
⑴.基于TOA的定位方法在基于到达时间time of arrival的定位机制中,信号的传输速度是已知的。根据信号的传播时间计算得到节点间的距离,再利用已有算法计算出节点的位置。采用伪噪声序列信号作为声波信号,简单地实现了基于TOA定位。节点的定位部分由扬声器、麦克风、无线电和CPU四大模块组成。在发送节点的扬声器模块发送伪噪声序列信号的同时,假设两个节点间时钟同步,无线电模块通过无线电同步消息通知接收节点伪噪声序列信号发送的时间,根据声波信号的传播时间和速度,接收节点的麦克风模块在检测到伪噪声序列信号后计算发送节点和接收节点之间的距离。在计算得出距离多个邻近信标节点的距离后,节点就能利用三边测量法或极大似然估计算法计算出自身位置。


2WSN节点安全定位.................................................13
2.2 WSN节点定位系统.............................................13
2.3节点定位系统的安全问题.............................................18
2.4节点安全定位研究总结.............................................22
2. 5节点安全定位研究展望.............................................22
3WSN节点安全定位算法的基本问题.............................................25
3. 1 WSN网络模型.............................................25
3.2安全算法存在的条件.............................................26
3. 3安全算法定义和误差.............................................28
4具有鲁棒性的WSN节点安全定位算法.............................................37
4.1系统模型与相关假设.............................................37
4.2 最小 二乘法.............................................38
4.3 最小中值平方法.............................................38


5总结与展望


无线传感器网络的很多应用都依赖于节点的位置信息,所以节点定位技术是传感器网络领域中一种非常重要的基础技术。然而传感网一般被部署在恶劣的无人值守的环境中,节点易受到各种针对定位的攻击,从而导致了定位失效。定位一旦失效会带来一系列严重后果,例如整个传感网瘫痪或者监测得到的数据失效等等。因此,无线传感器网络中的鲁棒定位研究是一项极具挑战和并有广泛应用前景的课题。目前已知的安全定位机制能够在不同程度上解决定位的安全问题,但是依旧存在一些不足:对合谋攻击抵抗性差,若参与定位攻击的恶意信标节点占全部节点的比率越高,引起的定位误差越大;对于参与攻击的恶意信标节点占全部节点的比率大于一定比例,则算法完全失效等。
针对上述问题,本章研究在怎样的条件下能够存在安全定位算法并给出安全定位的误差范围;并提出一个自适应的最小二乘法和最小中值平方法估算切换,既有最小二乘法在攻击存在时的计算优势又兼具切换到鲁棒模式的计算优势。就整个节点定位系统的安全需求来说,现在的安全解决方案仍没有形成完善的体系,大部分只能对抗部分定位攻击,无法抵御多类型、较隐蔽且复杂协同的攻击行为。该领域的研究仍有进一步探索和研究的空间和问题,例如:
(1)具有鲁棒性的分布式节点位置信息校验。低耗且开放的WSN部署方式使其自身易遭受外部移位攻击和内部欺骗攻击。如移位攻击可能发生于整个网络作业期的任意时刻,所以节点位置信息校验是节点定位系统必不可少的第二道安全防线。但是目前节点位置信息的校验算法大多存在许多不足:


参考文献
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