无线传感器网络节点定位技术及定位安全性研究

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无线传感器网络以其低耗自组、容错性好、易于大规模部署等优点,被广泛应用于军事、环境、工业和农业监控等领域。在无线传感器网络的应用中,节点的位置信息起到至关重要的作用,节点定位技术是无线传感器网络的关键技术之一。无线传感器网络资源受限、开放性部署、无人值守等特点使得在节点定位过程中存在安全隐患,因此定位安全性在无线传感器网络应用中有着重要意义。  节点定位技术经过多年的发展,一系列节点定位方法被提出,并且在一定应用场合取得较好的效果,然而作为一门新兴的研究领域,节点定位技术依然有较多技术难题需要解决,如:1)各种定位算法系统都基于不同的假设和应用场合,采用特定方法来解决定位问题,目前还没有一种通用最优的定位算法系统;2)高精度的定位算法技术过多依赖硬件支持,计算及通信开销较大,不利于算法的广泛应用;3)定位算法系统安全性很脆弱,现有的安全技术往往基于加密、测距、测角度、严格的时间同步,或复杂的统计分析,与无线传感器网络资源受限的特点相违背,定位安全性算法还需要进一步研究。针对以上问题,本文采用理论分析与实验相结合的方法,对节点定位技术及定位安全性展开深入的研究,主要研究内容和创新点如下:  (1)基于节点多跳无须测距定位过程中累积误差会严重影响定位精度,累积误差的产生与各单跳距离的误差有关,对单跳距离误差的控制能有效减小累积误差传播,提出了一种累积误差补偿的MLCEC定位算法,该算法基于最短路径上前序节点数量统计分析,对从信标节点到未知节点的最短路径的跳数依次进行修正,并提出了k跳平均跳距的概念,与跳数修正相结合使累积误差得到了较好的控制,大大降低了定位误差。并针对信标节点的异常分布情况,提出了一种简单的检测其共线度的方法,从而进一步提高定位算法的健壮性。实验和仿真结果表明,该算法额外开销较小,可在信标节点比例较小的情况下,能获得较好的定位性能,并有较好的扩展性。  (2)针对定位算法易受到节点分布不均、非视距传播等网络各向异性因素的影响,提出一种基于核Tikhonov规则化的MLKT定位方法。该方法采用核Tikhonov规则化方法构建跳数一距离映射模型,并利用该模型估计未知节点到参考节点的距离。理论分析和仿真实验表明,基于核Tikhonov规则化定位能有效避免网络各向异性和计算不适定问题,提高了定位精度,且涉及参数少,因而算法计算开销小,可适应于节点部署环境较复杂的网络,具有较高的实际应用价值。  (3)通过对显式攻击模型的分析,针对攻击节点作为节点间通信最短路径上唯一前序节点(Unique Proorder Node,UPN)的概率很大的特点,对UPN数量标准方差进行分析,提出了UPNDA检测算法,该算法计算简单,能有效地检测和防御显式攻击,减小攻击对定位算法的影响。针对隐式攻击对网络拓扑结构的影响,对攻击前后邻居节点的异常变化情况进行分析,提出了基于邻居节点集分析的NSDA检测防御方法,对受攻击节点分类进行处理,尽量减小攻击产生的影响;并针对攻击节点通信范围较大的情况,提出了一种基于虫洞环的WRDA检测防御算法,该算法通过对节点连通度进行概率分析,基于受攻击的网络会具有各向异性网络的某些特点,提出了对攻击范围内的节点构建虫洞环和正常节点环,应用线性回归分析的方法,通过虫洞环边沿正常结点环来减小攻击对定位的影响。
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