CN102378217B - 一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法，属于网络信息安全领域，包括以下步骤：信标节点向周围节点发送自身的位置信息；相邻信标节点对发出信息的信标节点进行信誉评估；未知节点收集自身的相邻信标节点相互之间的信誉评估值，得出自身对相邻信标节点的综合评估值；未知节点将自身的相邻信标节点按照信誉值由高至低进行排列，得到值得信任的信标节点信息用于定位计算。本发明可以有效评估信标节点及其提供的位置信息的可靠性，筛选出信誉值较高的信标节点及它们提供的信息，从而降低无线传感器节点在不安全环境下定位误差。本发明适用于多种基于测距的定位方法，并且对于传感器节点的硬件配制没有特殊要求。

Description

一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法

技术领域

本发明属于网络信息安全领域，尤其是一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法。

背景技术

获得节点的位置信息是提供网络拓扑自配置、实时统计网络覆盖质量和协助路由等网络功能的重要基础，定位技术随着无线传感器网络的广泛发展受到了广泛的关注。随着无线网络应用范围的逐渐扩大，定位中的安全问题也显得尤为重要，尤其是在军事国防、环境监测等领域中，如何在存在不安全因素的网络环境中保证无线传感器节点的定位效果成为无线传感器网络中新的技术挑战。

在无线传感器网络节点定位中，具有自身定位功能、获得自身位置的节点称为信标节点，需要借助信标节点提供的位置信息作为参照从而完成定位的节点称为未知节点。信标节点提供给未知节点的定位信息直接关系到未知节点的定位结果。然而，现有的评估方法无法帮助未知节点筛选出较为可靠的信标节点及它们提供的位置信息，以剔除恶意的信标节点，保证定位结果的可靠性。

发明内容

针对上述技术的不足之处，本发明提供一种可以有效评估信标节点及其提供的位置信息的可靠性，筛选出信誉值较高的信标节点及它们提供的信息，从而降低无线传感器节点在不安全环境下定位误差的一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法。

为实现上述目的，本发明提供一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法，包括以下步骤：

(1)信标节点向周围节点发送自身的位置信息；

(2)相邻信标节点对发出信息的信标节点进行信誉评估；

(3)未知节点收集自身的相邻信标节点相互之间的信誉评估值，得出自身对相邻信标节点的综合评估值；

(4)未知节点将自身的相邻信标节点按照信誉值由高至低进行排列，得到值得信任的信标节点信息用于定位计算。

在步骤(2)中，还包括以下步骤：

(2.1)相邻信标节点收到信标节点发出的消息后，根据信标节点声称的位置信息结合自身的位置信息计算信标节点与相邻信标节点之间的距离；

(2.2)相邻信标节点根据接收到的信号的相关信息，基于测距方法估算信标节点与相邻信标节点之间的距离；

(2.3)相邻信标节点计算对于信标节点的信誉评估值。

在步骤(2.2)中，相邻信标节点根据接收到的信号的相关信息包括信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差。

在步骤(2.3)中，在网络初始阶段为每个信标节点赋予信誉初始值。

在步骤(4)中，还包括以下步骤：

(4.1)未知节点将周围的信标节点按照信誉值的大小由高至低进行排列；

(4.2)未知节点利用极大似然估计法来计算自身的坐标，在计算中未知节点需要获得信标节点的位置以及自身与这些信标节点之间的距离，未知节点选取信誉值大于阈值的信标节点，采纳它们提供的位置信息，并且根据测距算法获得与这些信标节点之间的距离。

在步骤(4.2)中，测距算法为基于信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差的测距方法中的一种。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明可以有效评估信标节点及其提供的位置信息的可靠性，筛选出信誉值较高的信标节点及它们提供的信息，从而降低无线传感器节点在不安全环境下定位误差；

本发明不是针对某一种攻击形式提出的安全定位方法，而是从提供定位信息的信标节点的可靠性上进行考虑，对信标节点的信誉进行评价，从而筛选出可靠的信标节点及其提供的位置信息用于定位；

本发明适用于多种基于测距的定位方法；

本发明对于传感器节点的硬件配制没有特殊要求。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的实施例的网络模型图；

图3和图4为使用本发明与没有使用本发明的未知节点定位误差比较的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法，包括以下步骤：

(1)信标节点向周围节点发送自身的位置信息；

信标节点B_i将消息

广播出去，

表示信标节点B_i的ID号，

表示信标节点B_i的二维坐标；

(2)相邻信标节点对发出信息的信标节点进行信誉评估；

(2.1)相邻信标节点B_j收到信标节点B_i发出的消息后，根据B_i声称的位置信息结合自身的位置信息计算信标节点B_i与B_j之间的距离

(2.2)相邻信标节点B_j根据接收到的信号的相关信息(信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差)基于测距方法估算信标节点B_i与B_j之间的距离

步骤2.3：相邻信标节点B_j计算对于信标节点B_i的信誉评估值 $\left\{\begin{array}{cc}{R}_{B_{\mathrm{ji}}}^{t+\mathrm{\Δt}}=\mathrm{\α}\×R_{B_{\mathrm{ji}}}^t+(1-\mathrm{\α}),& |l_{B_{\mathrm{ji}}}-d_{B_{\mathrm{ji}}}|\≤\mathrm{\Δd}\\ R_{B_{\mathrm{ji}}}^{t+\mathrm{\Δt}}=(1-\mathrm{\α})\×R_{B_{\mathrm{ji}}}^t,& |l_{B_{\mathrm{ji}}}-d_{B_{\mathrm{ji}}}|>\mathrm{\Δd}\end{array}\right.,$ 其中和

分别表示信标节点B_j对于B_i在t时刻和t+Δt时刻的信誉评估值，Δt表示信誉评估的更新时间间隔，Δd表示距离阈值，α表示信誉评估中的权值， $\mathrm{\α}=\frac{|l_{B_{\mathrm{ji}}}-d_{B_{\mathrm{ji}}}|}{d_{B_{\mathrm{ji}}}};$ 在网络初始阶段为每个信标节点赋予信誉初始值。

(3)未知节点收集自身的相邻信标节点相互之间的信誉评估值，得出自身对相邻信标节点的综合评估值；

未知节点U_m按照公式 ${R^{t+\mathrm{\Δt}}}_{U_m,B_i}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{R^{t+\mathrm{\Δt}}}_{B_{\mathrm{ki}}}}{n}$ 计算U_m对B_i的信誉评估值，

表示未知节点U_m对信标节点B_i在t+Δt时刻的信誉评估值，

表示B_i的相邻信标节点B_k对B_i在t+Δt时刻的信誉评估值，n表示U_m能够接收到的对B_i发出评价的相邻信标节点的个数；

(4)未知节点将自身的相邻信标节点按照信誉值由高至低进行排列，得到值得信任的信标节点信息用于定位计算；

(4.1)未知节点U_m将周围的信标节点按照信誉值的大小由高至低进行排列；

(4.2)未知节点U_m利用极大似然估计法来计算自身的坐标，在计算中未知节点需要获得信标节点的位置以及自身与这些信标节点之间的距离，未知节点选取信誉值大于阈值R_d的信标节点，采纳它们提供的位置信息，并且利用基于信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差的测距方法之一获得与这些信标节点之间的距离，其中0＜R_d＜1。

如图2所示，以信标节点B₁参与未知节点U₁的定位过程为例说明本发明帮助定位中的未知节点对信标节点进行信誉评估的方法以及本发明在未知节点定位中所起的作用。

具体实施步骤为：

(1)信标节点向周围节点发送自身的位置信息阶段的实施说明：

信标节点B₁将消息

广播出去，能够收到B₁消息的相邻信标节点包括B₂，B₃，B₄，B₅。

(2)相邻信标节点对发出信息的信标节点进行信誉评估阶段的实施说明。

B₁的相邻信标节点B₂，B₃，B₄，B₅收到信标节点B₁发出的消息后，分别根据B₁声称的位置信息以及自身的位置信息，基于二维空间欧式距离的公式 $l_{B_{j1}}=\sqrt{{(x_{B_j}-x_{B_1})}^2+{(y_{B_j}-y_{B_1})}^2},j=\mathrm{2,3,4,5}$ 计算信标节点B_j与B₁之间的距离

B₂，B₃，B₄，B₅再根据接收到的信号强度利用基于信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差的测距方法之一估算信标节点B₁与B_j之间的距离

相邻信标节点B₂，B₃，B₄，B₅计算对于信标节点B₁的信誉评估值 $\left\{\begin{array}{cc}{R}_{B_{j1}}^{t+\mathrm{\Δt}}=\mathrm{\α}\×R_{B_{j1}}^t+(1-\mathrm{\α}),& |l_{B_{j1}}-d_{B_{j1}}|\≤\mathrm{\Δd}\\ R_{B_{j1}}^{t+\mathrm{\Δt}}=(1-\mathrm{\α})\×R_{B_{j1}}^t,& |l_{B_{j1}}-d_{B_{j1}}|>\mathrm{\Δd}\end{array}\right.,j=\mathrm{2,3,4,5},$ 其中

和

分别表示信标节点B_j对于B₁在t时刻和t+Δt时刻的信誉评估值，Δt表示信誉评估的更新时间间隔，Δd表示距离阈值，

的初始值为0.5，α表示信誉评估中的权值， $\mathrm{\α}=\frac{|l_{B_{j1}}-d_{B_{j1}}|}{d_{B_{j1}}},$ j＝2，3，4，5。

B₂，B₃，B₄，B₅分别将自身对信标节点B₁的信誉评估值发送出去。

(3)未知节点综合信标节点的各相邻信标节点给出的信誉评价阶段的实施说明

未知节点U₁能够接收到的对于信标节点B₁的信誉评估值分别来自B₂，B₃，B₄，分别是 $R_{B_{21}}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{B_{31}}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{B_{41}}^{t+\mathrm{\Δt}},$ 按照公式 $R_{U_1,B_1}^{t+\mathrm{\Δt}}=\frac{(R_{B_{21}}^{t+\mathrm{\Δt}}+R_{B_{31}}^{t+\mathrm{\Δt}}+R_{B_{41}}^{t+\mathrm{\Δt}})}{3},$ 计算t+Δt时刻U₁对B₁的信誉评估值

U₁可以通过同样方法计算出对于其周围信标节点B₂，B₃，B₄，B₆，B₇，分别为 $R_{U_1,B_2}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_3}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_4}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_6}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1{,B}_7}^{t+\mathrm{\Δt}}.$

(4)未知节点筛选可靠信标节点提供的位置信息用于自身位置估算阶段的实施说明

未知节点U₁将周围的信标节点B₁，B₂，B₃，B₄，B₆，B₇按照信誉值 $R_{U_1,B_1}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_2}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_3}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_4}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_6}^{t+\mathrm{\Δt}},R_{U_1,B_7}^{t+\mathrm{\Δt}}$ 的大小由高至低进行排列，从而筛选出信誉值较高(信誉值高于0.5，如果信誉值高于0.5的信标节点数量小于3，则向下顺延至3个信标节点)的可靠信标节点，并利用这些可靠的信标节点提供的位置信息用于自身的位置计算。

U₁利用极大似然估计法来计算自身的坐标，在计算中未知节点需要获得信标节点的位置以及自身与这些信标节点之间的距离，未知节点选取信誉值大于阈值R_d的信标节点(R_d＝0.5)，采纳它们提供的位置信息，并且利用基于信号强度的信号衰减公式估算自身与这些信标节点之间的距离。

为了验证本发明在信标节点被俘获情况下用于无线传感器节点定位的效果，需要计算未知节点的定位误差。定位误差的计算方法如公式 $e_U=\frac{\sqrt{{(x_U-{x_U}^{\′})}^2+{(y_U-{y_U}^{\′})}^2}}{R^{\′}},$ 其中(x_U，y_U)表示未知节点U根据周围信标节点提供的位置信息估算出的定位坐标，(x′_U，y′_U)表示未知节点U的真实坐标，R′表示未知节点的通信半径。在650m*600m的矩形区域中随机部署20个传感器节点作为未知节点进行定位，未知节点的通信半径设为200m。当在网络中随机部署10个正常信标节点和5个恶意信标节点时，根据定位误差公式可以得到20个未知节点的定位误差(如图3)；当在网络中随机部署10个正常信标节点和10个恶意信标节点时，根据定位误差公式可以得到20个未知节点的定位误差(如图4)。由图3和图4中可以看出本发明使得绝大部分未知节点位置估算中的定位误差比没有对信标节点进行评估的情况下有了明显地降低，并且该发明的效果在恶意节点数量较大时更为明显。

在具体实施示例中，安全定位过程通过四个阶段，有效降低了不可靠的信标节点提供的位置信息对定位的影响。由仿真实验结果可以看出，本发明在可以有效帮助未知节点对周围的信标节点的信誉进行评估，从而筛选出值得信任的位置信息用于自身定位，本发明能够有效降低无线传感器网络节点的定位误差，在无线传感器网络中具有良好的适用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法，包括以下步骤：

（1）信标节点向周围节点发送自身的位置信息；

（2）相邻信标节点对发出信息的信标节点进行信誉评估；

（2.1）相邻信标节点B_j收到信标节点B_i发出的消息后，根据B_i声称的位置信息结合自身的位置信息计算信标节点B_i与B_j之间的距离

（2.2）相邻信标节点B_j根据接收到的信号的相关信息，基于测距方法估算信标节点B_i与B_j之间的距离

（2.3）相邻信标节点B_j计算对于信标节点B_i的信誉评估值 $\left\{\begin{array}{cc}{R}_{B_{\mathrm{ji}}}^{t+\mathrm{\Δt}}=\mathrm{\α}\×R_{B_{\mathrm{ji}}}^t+(1-\mathrm{\α}),& |l_{B_{\mathrm{ji}}}-d_{B_{\mathrm{ji}}}|\≤\mathrm{\Δd}\\ R_{B_{\mathrm{ji}}}^{t+\mathrm{\Δt}}=(1-\mathrm{\α})\×R_{B_{\mathrm{ji}}}^t,& |l_{B_{\mathrm{ji}}}-d_{B_{\mathrm{ji}}}|>\mathrm{\Δd}\end{array}\right.,$ 其中

和

分别表示信标节点B_j对于B_i在t时刻和t+Δt时刻的信誉评估值，Δt表示信誉评估的更新时间间隔，Δd表示距离阈值，α表示信誉评估中的权值，

在网络初始阶段为每个信标节点赋予信誉初始值；

（3）未知节点收集自身的相邻信标节点相互之间的信誉评估值，得出自身对相邻信标节点的综合评估值；

未知节点U_m按照公式

计算U_m对B_i的信誉评估值，

表示未知节点U_m对信标节点B_i在t+Δt时刻的信誉评估值，表示B_i的相邻信标节点B_k对B_i在t+Δt时刻的信誉评估值，n表示U_m能够接收到的对B_i发出评价的相邻信标节点的个数；

（4）未知节点将自身的相邻信标节点按照信誉值由高至低进行排列，得到值得信任的信标节点信息用于定位计算：

（4.1）未知节点U_m将周围的信标节点按照信誉值的大小由高至低进行排列；

（4.2）未知节点U_m利用极大似然估计法来计算自身的坐标，在计算中未知节点需要获得信标节点的位置以及自身与这些信标节点之间的距离，未知节点选取信誉值大于阈值R_d的信标节点，采纳它们提供的位置信息，并且利用基于信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差的测距方法之一获得与这些信标节点之间的距离，其中0<R_d<1。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法，其特征在于，在步骤（2.2）中，相邻信标节点根据接收到的信号的相关信息包括信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络定位中信标节点信誉评估方法，其特征在于，在步骤（4.2）中，测距算法为基于信号强度、到达角度、到达时间或到达时间差的测距方法中的一种。

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