[發(fā)明專利]一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全多跳定位方法

無效

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• 申請日: 2011-08-24
• 公開（公告）號: CN102300209A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 萬江文;郭曉雷;于寧;吳銀鋒;馮仁劍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H04W12/00
• 分類號: H04W12/00;H04W64/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實專利事務(wù)所 11121
• 代理人: 官漢增

1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全多跳定位方法，其特征在于：具體包括以下步驟：

步驟一：所有節(jié)點獲取自身到其多跳可通訊范圍內(nèi)所有錨節(jié)點的多跳距離和多跳距離跳數(shù)；

1)所有錨節(jié)點向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播包含自身ID和自身位置坐標的位置信息幀，第i個錨節(jié)點N_i廣播的位置信息幀LF_i的格式為：

LF_i＝{i，X_i，H_i，d_i}????(1)

其中，X_i為錨節(jié)點N_i廣播的位置坐標；H_i為LF_i所經(jīng)過的跳段數(shù)目，初始化為0；d_i為LF_i所經(jīng)過的跳段距離之和，初始化為0；

2)當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點N_p接收到自身相鄰節(jié)點N_q發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i時，判斷節(jié)點N_p在此時刻之前是否收到過錨節(jié)點N_i的位置信息幀p、q代表節(jié)點N_p、N_q的ID，均取自然數(shù)，且p≠q；

①當節(jié)點N_p之前沒有收到過錨節(jié)點N_i的位置信息幀時，更新錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i，更新后的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i′為：

LF_i′＝{i，X_i，(H_i+1)，(d_i+d_pq)}????(2)

其中，d_pq為節(jié)點N_p到相鄰節(jié)點N_q的測量距離，節(jié)點保存更新后的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i′，并判斷(H_i+1)＜TTL是否成立，TTL為所有節(jié)點廣播的信息幀的生命周期，取自然數(shù)；如果成立，節(jié)點N_p將更新后的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i′廣播給節(jié)點N_p的相鄰節(jié)點；如果不成立，N_p將不廣播更新后的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i′給節(jié)點N_p的相鄰節(jié)點；

②當節(jié)點N_p之前收到過錨節(jié)點N_i的位置信息幀時，判斷新收到的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i中的d_i與節(jié)點N_p到相鄰節(jié)點N_q的測量距離d_pq之和是否小于節(jié)點N_p之前收到并保存的錨節(jié)點N_i的位置信息幀中的d_i；

如果小于，則按照公式(2)將節(jié)點N_p之前收到并保存的N_i的位置信息幀更新為LF_i′，并將更新后的錨節(jié)點N_i的位置信息幀LF_i′廣播給節(jié)點N_p的相鄰節(jié)點；否則，不更新自身之前收到并保存的N_i的位置信息幀

3)當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不再有位置信息幀交互時，所有節(jié)點保存的錨節(jié)點位置信息幀中的位置信息幀所經(jīng)過的跳段距離之和和所經(jīng)過的跳段數(shù)目為節(jié)點自身到相應(yīng)錨節(jié)點的多跳距離和多跳距離跳數(shù)；

步驟二：錨節(jié)點對其多跳可通訊范圍內(nèi)其他錨節(jié)點廣播的坐標的信任度進行評估；

錨節(jié)點N_i對其多跳可通訊范圍內(nèi)任意錨節(jié)點N_j廣播的位置坐標X_j的信任度評估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}包括‘可信(T)’、‘不確定(T，U)’和‘不可信(U)’三個狀態(tài)的評估值，其中m_ij(T)為坐標X_j可信的程度，m_ij(T，U)為不確定坐標X_j是否可信的程度，m_ij(U)為坐標X_j不可信的程度，m_ij(T)、m_ij(T，U)和m_ij(U)均取不大于1的正實數(shù)，且m_ij(T)+m_ij(T，U)+m_ij(U)＝1，i、j代表錨節(jié)點N_i、N_j的ID，均取自然數(shù)，且i≠j；

根據(jù)錨節(jié)點N_i和錨節(jié)點N_j間的計算距離D_ij和兩者間的多跳距離d_ij，以傳感器節(jié)點的通訊半徑R和H_ij*R為分界點，其中H_ij為錨節(jié)點N_i到錨節(jié)點N_j的多跳距離跳數(shù)，分以下三種情況確定錨節(jié)點N_i對錨節(jié)點N_j廣播的位置坐標X_j的信任度評估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}：

1)如果錨節(jié)點N_i和錨節(jié)點N_j間的計算距離D_ij大于H_ij*R，D_ij＞H_ij*R，錨節(jié)點N_i對錨節(jié)點N_j廣播的位置坐標X_j的信任度評估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}取

mij(T)=0mij(T,U)=τ1mij(U)=1-τ1---(3)]]>

其中，τ₁為情況1)下的不確定度；

2)如果錨節(jié)點N_i和錨節(jié)點N_j間的計算距離D_ij不大于H_ij*R，但D_ij與錨節(jié)點N_i和錨節(jié)點N_j間的多跳距離的差值的絕對值大于傳感器節(jié)點的通訊半徑R，D_ij≤H_ij*R且|D_ij-d_ij|＞R，其中d_ij表示錨節(jié)點N_i到錨節(jié)點N_j的多跳距離，錨節(jié)點N_i對錨節(jié)點N_j廣播的位置坐標X_j的信任度評估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}取

mij(T)=1-T2-τ2mij(T,U)=τ2mij(U)=T2---(4)]]>

其中，τ₂為情況2)下的不確定度，T₂為情況2)下的不可信度；

3)如果錨節(jié)點N_i和錨節(jié)點N_j間的計算距離D_ij不大于H_ij*R，且D_ij與錨節(jié)點N_i和錨節(jié)點N_j間的多跳距離d_ij的差值的絕對值不大于傳感器節(jié)點的通訊半徑R，D_ij≤H_ij*R且|D_ij-d_ij|≤R，錨節(jié)點N_i根據(jù)D_ij與d_ij的差值的絕對值ε_ij＝|D_ij-d_ij|來確定錨節(jié)點N_j廣播的位置坐標X_j的信任度評估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}，取

mij(T)=1-ϵijRmij(T,U)=1-mij(T)mij(U)=0---(5)]]>

步驟三：錨節(jié)點以多跳的方式廣播其獲得的信任度評估值；

1)所有錨節(jié)點向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣播包含自身所獲得的信任度評估值的評估信息幀，第i個錨節(jié)點N_i廣播的評估信息幀EF_i的格式為：

EF_i＝{{i，j，M_ij}|錨節(jié)點N_j位于錨節(jié)點N_i的多跳可通訊范圍內(nèi)}????(6)

其中M_ij表示錨節(jié)點N_i對錨節(jié)點N_j廣播的位置坐標X_j的信任度評估值；

2)當無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點N_p接收到其相鄰節(jié)點N_q發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)的錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i時，節(jié)點N_p判斷N_p自身此刻之前是否收到過錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i；

①如果節(jié)點N_p此刻之前未收到過錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i，節(jié)點N_p保存錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i，并在TTL允許的范圍內(nèi)將錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點N_p的相鄰節(jié)點；

②如果節(jié)點N_p此刻之前收到過錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i，節(jié)點N_p丟棄錨節(jié)點N_i的評估信息幀EF_i；

步驟四：未知節(jié)點求解其多跳可通訊范圍內(nèi)錨節(jié)點的綜合信任值；

當未知節(jié)點N_u接收到其多跳可通訊范圍與錨節(jié)點N_k的多跳可通訊范圍的交集內(nèi)所有的錨節(jié)點N_j(j＝1，2，…，L)對錨節(jié)點N_k廣播的位置坐標X_k的信任度評估值M_jk(j＝1，2，…，L)時，利用增強型的登普斯特-謝弗證據(jù)合成規(guī)則，求出錨節(jié)點N_k廣播的位置坐標X_k的綜合信任值，其中u代表未知節(jié)點N_u的ID，取自然數(shù)，L代表未知節(jié)點N_u接收到的信任度評估值數(shù)量，取自然數(shù)，k、j代表錨節(jié)點N_k、N_j的ID，均取自然數(shù)，且k≠j，具體步驟為：

1)求解每個信任度評估值M_jk的偏離程度δ_jk：

δjk=||Mjk-1LΣj=1LMjk||2---(7)]]>

2)根據(jù)公式(8)判斷是否接受某一個信任度評估值M_jk參與證據(jù)合成：

其中，Δ為判斷是否接受M_jk的閾值；

3)根據(jù)公式(8)，未知節(jié)點N_u得到一組小沖突證據(jù)集{M_1k，M_2k，…，M_Sk}，其中S為小沖突證據(jù)集中信任度評估值的數(shù)量，S≤L；未知節(jié)點N_u根據(jù)小沖突證據(jù)集{M_1k，M_2k，…，M_Sk}，利用登普斯特-謝弗證據(jù)合成規(guī)則獲得錨節(jié)點N_k廣播的位置坐標X_k的綜合信任值

Z_uk＝{m_uk(T)，m_uk(T，U)，m_uk(U)}：

其中，集合Θ＝{T，U}為識別框架，表示代表空集，A表示‘可信(T)’、‘不確定(T，U)’和‘不可信(U)’三個狀態(tài)中的某一個狀態(tài)，歸一化系數(shù)G為：

A_tk(t＝1，2，…，S)為集合Θ的任意子集，t為A_tk的序號，取自然數(shù)；

根據(jù)以上過程，未知節(jié)點N_u得出其多跳可通訊范圍內(nèi)所有錨節(jié)點N_k(k＝1，2，…，K)廣播的位置坐標X_k(k＝1，2，…，K)的綜合信任值Z_uk(k＝1，2，…，K)，K表示N_u多跳可通訊范圍內(nèi)錨節(jié)點的數(shù)量，取自然數(shù)；取錨節(jié)點N_k的信度B_uk＝m_uk(T)；

步驟五：未知節(jié)點建立包含錨節(jié)點信度的坐標估計方程組；

未知節(jié)點N_u根據(jù)其多跳可通訊范圍內(nèi)所有錨節(jié)點N_k(k＝1，2，…，K)廣播的位置坐標X_k(k＝1，2，…，K)、錨節(jié)點N_k(k＝1，2，…，K)的信度B_uk(k＝1，2，…，K)以及N_u自身到相應(yīng)錨節(jié)點的多跳距離d_uk(k＝1，2，…，K)，建立包含錨節(jié)點信度的加權(quán)歐式方程組：

Bu1(xu-x1)2+(yu-y1)2+(zu-z1)2=Bu1du1Bu2(xu-x2)2+(yu-y2)2+(zu-z2)2=Bu2du2···BuK(xu-xK)2+(yu-yK)2+(zu-zK)2=BuKduK---(10)]]>

其中，X_u＝[x_u，y_u，z_u]^T為未知節(jié)點N_u的待估坐標，X_k＝[x_k，y_k，z_k]^T(k＝1，2，…，K)為錨節(jié)點N_k(k＝1，2，…，K)廣播的位置坐標；

步驟六：未知節(jié)點求解自身的位置坐標；

未知節(jié)點根據(jù)自身建立的加權(quán)歐式方程組，采用基于泰勒展開的加權(quán)最小二乘迭代法求出自身的位置坐標：

1)計算K個錨節(jié)點的質(zhì)心X0=[x0,y0,z0]T=1KΣk=1KXk,]]>令未知節(jié)點N_u的坐標估計值X^u=[x^u,y^u,z^u]T=X0,]]>設(shè)定迭代次數(shù)I＝0；

2)令xu=x^u+Δxu,]]>yu=y^u+Δyu]]>和zu=z^u+Δzu,]]>Δx_u、Δy_u和Δz_u分別表示和的增量；將公式(10)中的在未知節(jié)點N_u的坐標估計值處進行泰勒級數(shù)展開，忽略二階以上分量：

(xu-xk)2+(yu-yk)2+(zu-zk)2=rk+x^u-xkrkΔxu+y^u-ykrkΔyu+z^u-zkrkΔzu---(11)]]>

其中，rk=(x^u-xk)2+(y^u-yk)2+(z^u-zk)2,(k=1,2,···,K)]]>為未知節(jié)點N_u的坐標估計值到錨節(jié)點N_k(k＝1，2，…，K)廣播的位置坐標的X_k(k＝1，2，…，K)的歐式距離，公式(10)轉(zhuǎn)化為：

Bu1(x^u-x1r1Δxu+y^u-y1r1Δyu+z^u-z1r1Δzu)=Bu1(du1-r1)Bu2(x^u-x2r2Δxu+y^u-y2r2Δyu+z^u-z2r2Δzu)=Bu2(du2-r2)···BuK(x^u-xKrKΔxu+y^u-yKrKΔyu+z^u-zKrKΔzu)=BuK(duK-rK)---(12)]]>

3)取A=x^u-x1r1y^u-y1r1z^u-z1r1x^u-x2r2y^u-y2r2z^u-z2r2···x^u-xKrKy^u-yKrKz^u-zKrK,]]>ΔXu=ΔxuΔyuΔzu]]>和D=du1-r1du2-r2···duK-rK,]]>公式(12)簡化為：

WAΔX_u＝WD????(13)

4)計算公式(13)的最小二乘解ΔX_u＝(A^TW^TWA)^-1A^TW^TD；

5)判斷迭代停止條件||ΔX_u||₂≤Ψ是否成立，Ψ為迭代計算中坐標增量的閾值；

若迭代停止條件成立，停止計算，即為未知節(jié)點N_u的估計坐標；否則，令I(lǐng)＝I+1，進入步驟6)；

6)判斷I≥I_max是否成立，其中I_max為最大迭代次數(shù)允許值，取自然數(shù)；

如果成立，則停止計算，即為未知節(jié)點N_u的估計坐標；否則，取返回步驟2)，直至求出未知節(jié)點N_u的估計坐標。