WSN节点定位技术及其安全策略课案.pptx

谈新理念下IT产业的发展 无线传感器网络节点定位技术及其安全策略 0 WSN定位技术 无线传感器网络节点定位：依靠网络中少量的位置已知的节点，通过邻居节点间有限的通信和某种定位机制确定网络中所有未知节点的位置。 节点定位在实际应用中包含两种含义： 自定位——确定节点自身在系统中的位置 目标定位——确定目标节点在系统中的位置 0 WSN定位技术之基本概念 信标节点：已知自身位置信息的节点，可通过GPS定位设备或手工配置、确定部署等方式预先获取位置信息，为其他节点提供参考坐标。 未知节点：信标节点以外的节点统称为未知节点，也有文献称为盲节点。 邻居节点：一个节点通信距离范围内的所有节点的集合。 跳数：两个节点之间跳段的总数。 跳距：两个节点之间各跳段的距离之和。 节点定位技术 1 2 3 定位系统安全分析 节点安全定位策略 DV-Hop定位算法原理 算法性能分析 算法改进 分类 基于测距 无须测距 无线传感器网络节点定位机制 1.1 定位机制之分类 研究人员已经根据不同的研究侧重点，对节点定位技术提出了不同的分类: 绝对定位与相对定位 紧密耦合与松散耦合 集中式计算与分布式计算 基于测距的定位算法与无需测距的定位算法 1.2 定位机制之基于测距的定位技术 基于测距的节点定位方法通过给节点配备额外设备测量节点到节点之间点到点的距离或角度信息，然后利用三边测量法、三角测量法或极大似然估计法计算出未知节点位置。 RSSI（Received Signal Strength Indicator） 将无线信号的传输损耗转换成距离 自由空间传播模型、对数路径损耗模型等 误差来源：多径衰落、反射及不规则传播等 比较粗糙，有±50%误差 1.2 定位机制之基于测距的定位技术 TOA（Time of Arrival） 根据发送器发出信号的时间和接收器收到信号的时间差，乘以无线电波在介质中的传播速度，得到两者间距离 对环境依赖小、测距精度高 需要节点间精确的时间同步，收发点之间不能有障碍物，需要重复测 存在误差，圆可能不交于一点，需要使用最小二乘法来估算节点坐标 1.2 定位机制之基于测距的定位技术 TDOA（Time Difference on Arrival） 发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之闻的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置。 降低了对节点间时间同步的要求，但仍需要较精确的计时功能 附加特殊的硬件（声波或者超声波的收发器等），这会增加成本 环境对声速影响大，造成偏差 1.2 定位机制之基于测距的定位技术 AOA（Angle of Arrival） 接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角得到侧位线，两条侧位线的交点就是未知节点 最少只需要两个信标节点就能实现定位 必须配备方向性强的天线阵列，在硬件尺寸和功耗上可能无法用于传感器节点 1.3 定位机制之无须测距的定位技术 无须测距的节点定位方法根据网络的连通性和信标节点的位置信息实现相对精确的定位功能。 质心法 通过收到的位置广播信息，未知节点将连接度超过90%的信标节点加为连通信标节点集合，并将自身位置确定为所有与之相连的信标节点所组成的多边形的质心。 假设有k个连通信标节点，坐标分别为（x1，y1）、（x2，y2）、…、（xk，yk），则未知节点的坐标（xest，yest）可用质心公式计算为： 1.3 定位机制之无须测距的定位技术 APIT（Approximate Point-In-Triangulation）算法 基于区域的定位策略 首先未知节点从所有邻居信标节点中任选3个构成一个三角形并判断自身是否处于该三角形内部； 然后对不同信标节点组合进行重复测试，直到测试完所有组合或者满足精度要求为止； 最后，计算所有包含未知节点的三角形交集的质心。 1.3 定位机制之无须测距的定位技术 MDS-MAP定位算法 属于集中式算法，可以在基于测距和无须测距两只情况下运行，采用了一种源自心理测量学和精神物理学的数据分析技术。 首先从全局角度生成网络拓扑连通图，并为图中每条边赋予距离值或者是1，然后使用最短路径法生成节点间距矩阵； 对节点间距矩阵应用MDS技术生成整个网络的相对坐标系统； 当拥有足够信标节点时，将相对坐标系转换成绝对坐标系。 凸规则定位法 DV-Hop算法 利用多跳信标节点信息的定位策略 优点是简单，不依赖于测距精度 缺点是仅在各向同性的密集网络中才能合理估计距离 DV-Hop节点定位算法 2.1 DV-Hop定位算法原理 DV-Hop算法的基本思想是将未知节点到信标节点之间的距离用网络中节点的平均每跳距离和两节点之间跳数的乘积来表示，然后再使用三边测量法或极大似然估计法来获得未知节点的位