无线传感器网络定位算法研究

论文摘要

在无线传感器网络中,确定节点位置或事件发生的位置对其监测活动至关重要。节点自身的准确定位不仅是提供监测事件或监测目标位置信息的前提,也是提供网络拓扑自配置、提高路由效率、向部署者报告网络的覆盖质量以及为网络提供命名空间等网络功能的基础。传感器网络固有的资源、能量限制使节点定位变得十分困难,传感器网络的多样性也导致不存在适用于各种网络环境的通用定位算法。现有无线传感器网络定位算法一般适用于某种特定的节点硬件和网络应用。因此,针对特定的网络环境设计和优化相应的定位算法,降低对网络同步、能量消耗等方面的要求,对于传感器网络技术的发展和实用性的提高具有重要的价值。绝大多数传感器网络节点定位系统均假定具有安全可信的网络环境,忽略了定位过程中的安全问题。然而传感器网络的开放性和无人看护性使节点的定位过程极易受到来自外部敌对者或内部被劫持节点的攻击。对节点定位系统的攻击往往具有明确的针对性,同时攻击手段种类较多、因系统所采用的定位技术和过程不同而有所不同。一般的安全措施难以抵御这种具有针对性和多样性的安全威胁。攻击所造成的无效或错误的定位结果可能给传感器网络应用,尤其是那些具有重要使命的应用(例如战场监视),造成难以估量的重大损失。因此,如何为存在敌对可能的传感器网络提供尽量安全的节点定位系统,是一个必须解决的关键问题。本文主要工作和创新之处:●提出了分段式异步网络定位算法在分析和比较已有的传感器网络定位算法基础上提出了一种用于异步无线传感器网络定位运动目标的分段式定位算法。该算法根据目标移动速度将定位过程自动分段,在每个时间段初期用同步定位算法获得目标准确初始位置,然后在此基础上采用异步定位。仿真结果表明分段式定位算法大大降低了网络同步开销,解决了普通异步定位算法无法准确定位慢速目标的问题,具有实用性。●提出了SAPIT安全定位算法对不同定位技术所面临的攻击种类进行了分析,深入研究用于安全定位的措施的实现原理、特点、局限和彼此的联系,并提出了一种新的无线传感器网络安全定位算法SAPIT:它采用锚节点身份验证、可疑锚节点检测、APIT测试结果安全汇总等安全机制。在不增加高精度定时器、方向天线等硬件的条件下,大大增强定位算法的安全性。对该算法模拟仿真,结果表明SATPIT能有效抵御干扰、虫洞攻击、劫持节点进行的伪装锚节点攻击和InToOut等攻击。●搭建了传感器网络节点试验环境研制了自主CPU的传感器网络节点,并在此平台上验证了SAPIT算法的实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无线传感器网络定位概述
• 1.2.1 无线传感器网络定位的意义
• 1.2.2 传感器网络定位的基本概念
• 1.2.3 传感器网络定位安全的基本概念
• 1.2.4 传感器网络定位的基本术语
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 本文的组织
• 第2章 传感器网络定位基本理论
• 2.1 无线传感器网络定位问题定义
• 2.2 无线传感器网络定位算法特点
• 2.3 测距方法
• 2.3.1 接收信号强度指示法
• 2.3.2 到达时间法
• 2.3.3 到达时间差法
• 2.3.4 到达角法
• 2.4 定位计算方法
• 2.4.1 三边定位与求解
• 2.4.2 由距离测量误差引出的三边定位与求解问题
• 2.4.3 三角测量法
• 2.5 无线传感器网络定位算法分类
• 2.5.1 绝对定位与相对定位
• 2.5.2 基于测距定位和无需测距定位
• 2.5.3 集中式计算定位与分布式计算定位
• 2.5.4 物理定位与符号定位
• 2.5.5 紧密耦合与松散耦合定位
• 2.6 无线传感器网络定位性能评价
• 2.7 现有无线传感器网络定位系统和算法纵览
• 2.7.1 Active Badge定位系统
• 2.7.2 Active Office
• 2.7.3 Cricket定位系统
• 2.7.4 APIT
• 2.7.5 AHLos
• 2.7.6 SPA相对定位
• 2.7.7 凸规划
• 2.7.8 APS
• 2.7.9 Cooperative ranging和Two-Phase positioning
• 2.7.10 Generic Localized Algorithms
• 2.7.11 MDS-MAP
• 2.8 现有定位系统和算法比较
• 2.9 小结
• 第3章 分段式异步定位算法
• 3.1 概述
• 3.2 异步传感器网络模型
• 3.3 异步传感器网络目标位置估计
• 3.4 存在的问题
• 3.5 分段式异步目标定位算法
• 3.6 实验结果及讨论
• 3.6.1 一次定位结果
• 3.6.2 多次定位结果
• 3.7 小结
• 第4章 SAPIT安全定位算法
• 4.1 概述
• 4.2 针对定位实施的攻击方法
• 4.2.1 内部攻击
• 4.2.2 外部攻击
• 4.3 现有安全定位算法分析
• 4.4 针对定位算法的安全措施
• 4.4.1 距离界定协议
• 4.4.2 安全定位机制
• 4.4.3 入侵及异常检测与隔离技术
• 4.4.4 鲁棒性的节点定位机制
• 4.5 SAPIT安全定位算法
• 4.5.1 APIT定位算法
• 4.5.2 SAPIT算法过程
• 4.5.3 PIT测试
• 4.5.4 SAPIT算法示例
• 4.6 SAPIT的安全机制
• 4.6.1 节点通信加密
• 4.6.2 锚节点身份认证
• 4.6.3 可疑锚节点检测
• 4.6.4 APIT测试结果安全汇总
• 4.7 SAPIT安全性分析与仿真结果
• 4.7.1 安全环境下定位性能比较
• 4.7.2 干扰攻击
• 4.7.3 虫洞攻击
• 4.7.4 劫持锚节点攻击
• 4.7.5 劫持节点伪装锚节点攻击
• 4.7.6 劫持节点InToOut攻击
• 4.7.7 通信量比较
• 4.8 小结
• 第5章 传感器网络硬件实验平台
• 5.1 概述
• 5.2 CPU设计
• 5.3 传感器节点设计
• 5.4 SAPIT算法实现
• 5.4.1 射频信号强度测量
• 5.4.2 实验过程与结果
• 5.5 小结
• 第6章 总结
• 6.1 内容总结
• 6.2 论文的贡献
• 6.3 进一步研究的方向
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果与科研项目
• 致谢