CN106851544B - 一种无线自组织网络的位置校验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线自组织网络的位置校验方法，利用无线信号的不规则度来完成对周围节点位置的校验，节点会根据其收到的来自周围节点的RSSI信息来估计信号强度衰减系数，如果其通过同一周围节点的两个RSSI信息估计出的衰减系数差值与其收到的该节点的位置变化相比过大，则认为其收到的位置信息不可信。本发明提供的无线自组织网络的位置校验方法，不需要额外的硬件设备，任何具有无线通信能力的设备均可使用本发明进行位置校验；同时，本发明也不需要外部网络支持，只要两个节点能直接通信，即可完成对对方位置信息的校验；因此，本发明具有应用成本低、应用场景广泛等优势。

Description

一种无线自组织网络的位置校验方法
技术领域
本发明涉及一种无线自组织网络的位置校验方法，属于通信技术。
缩略语和关键术语定义
MANET Mobile Ad hoc Network 移动自组织网络
VANET Vehicular Ad hoc Networks 车联网
WSN Wireless Sensor Network 传感网
FANET Flying Ad Hoc Network 无人机网络
LVS Location Verification System 位置校验系统
RSSI Received Signal Strength Indication 接收信号强度指示
背景技术
无线自组织网络是指网络中的节点不需要固定设备支持，通过自行组网的形式建立的无线网络，由于自组织网络中的节点通常具有一定的移动性，因此也常被称为移动自组织网络，即MANET。近年来，新兴的高效MANET路由架构依靠周围节点的位置信息运行，而由MANET衍生出的许多特殊自组织网络，如VANET、移动WSN、FANET等，也高度依赖节点的位置信息。因此，位置信息直接决定了MANET节点的安全(包括物理安全和信息安全)、路由及数据的有效性等，攻击者只需要篡改或伪造一个或几个节点的位置信息即可窃取整个网络的数据，甚至使网络陷入瘫痪。
MANET通常采用位置校验系统(即LVS)来验证位置信息的真实性，目前常用的位置校验系统主要有基于距离的位置校验系统、基于外部网络的位置校验系统和基于到达角测量的位置校验系统三种方案，下面就这三种方案给出简单的介绍和说明。
方案一、基于距离的位置校验系统
图1展示了最常见的基于距离的位置校验系统的网络结构，B的真实位置在黑点处，但由于攻击者的篡改或劫持，A收到的信息显示B位于B′处。基于距离的位置校验系统会同时测量B到A的距离，即dAB，如果dAB与A和B′之间的距离dAB′的差值大于或等于某个门限值，A会认定其收到的关于B的位置信息不可信。
图2展示了基于距离的位置校验系统的基本架构，信号接收器将接收到的信号分为两部分，即距离信号和位置信号，分别送给距离测量器和信息处理器进行相应的处理，从而得到距离和位置信息，最后，距离和位置信息都被送到位置校验器中，由位置校验器来判断位置的真实性。需要说明的是，A和B均可以是移动的，基于距离的位置校验系统也可通过多次测量，即迭代使用图2中的系统来提高判断的精度。
图3展示了基于距离的位置校验系统的缺陷，基于距离的位置校验系统在稀疏网络中很可能彻底失效，这是因为当dAB与dAB′近似或相等时，图2中的位置校验器会认为B′处的位置是可信的，从而无法分辨所收到的位置信息的真假，更为严重的是，B可能会通过追踪A的位置使得dAB与dAB′始终近似或相等时。虽然有部分改进方法提出隐藏A的位置可避免B对A的追踪，但这样仍然可能出现图3中的情况，并且，在一些网络中(例如：无人机网络)位置信息还肩负着确保节点直接不发生碰撞的作用，隐藏位置可能造成极大的安全隐患，因此，通过隐藏位置来解决图3中的问题具有很大的局限性。
方案二、基于外部网络的位置校验系统
图4展示了最常见的基于外部网络的位置校验系统的网络结构，假设A和B能同时接入相同的外部网络，A通过从外部网络获得的信息来判断所收到的B的位置信息的真实性。具体而言，A会通过图4中的网络2获得的并非B的位置信息，而是与位置有关的其他信息(例如：网络2中各节点到B的距离等)，然后利用这些信息估算B的位置，最后将估算的位置和从B处直接收到的位置进行比较，如果两个位置距离过大则认为从B收到的位置不是可信的。
和方案一不同的是，方案二增加了一个从外部网络接收信号的信号接收器2，如图5所示，系统将从两个网络获得的信号分别交由对应的信息处理器进行处理，最后送入位置校验器完成校验。需要说明的是，由于外部网络和本地网络结构很可能不同，信号接收器1和信号接收器2的内部架构也可能不同。由于从外部网络获得的是与B的位置有关的其他信息，而非B的位置信息，所以信息处理器1与信息处理器2的内部架构并不相同。而由于方案二是比较位置信息，方案一是比较距离信息，所以方案一和方案二中的位置校验器架构也不相同。
方案二的主要缺点在于外部网络的可用性和可靠性问题，虽然大多数网络都存在外部网络，但这并不等于每个节点都可以直接与外部网络相连，而即使节点可以与外部网络相连，该网络也不一定能可靠地提供关于B的信息，这些缺点使得方案二的使用范围存在相当大的局限性。
方案三、基于到达角测量的位置校验系统
方案三在方案一的基础上利用信号到达角来判断所收到节点B的位置信息的真实性，其网络架构和图1相同，系统架构在方案一的基础上增加了角度测量装置，这一装置可以估计信号到达的角度，从而能解决图3中的问题。
方案三的主要缺点在于角度测量装置并非大多数移动设备的标准配置，对于一些对节点成本具有严格限制的网络(例如：传感网)而言，增加角度测量装置通常是不能接受的，这就大大限制了这一方案的使用范围。
发明内容
发明目的：为了解决方案一几乎不能应对图3中的场景的问题，同时解决方案二应用场景受限和方案三应用成本较高的问题，本发明提出一种新的位置校验系统，通过连续收集RSSI信息并估计不规则度参数来判断周围节点位置的真实性，在不增加外部网络也不需要额外硬件设备的前提下有效解决校验图3中B的位置信息的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明利用无线信号的不规则度来完成对周围节点位置的校验，节点会根据其收到的来自周围节点的RSSI信息来估计信号强度衰减系数，如果其通过同一周围节点的两个RSSI信息估计出的衰减系数差值与其收到的该节点的位置变化相比过大，则认为其收到的位置信息不可信。
RSSI是指节点接收到的信号强度指示，通过RSSI既可以判断节点之间的距离，也可以估计当前通信链路的质量。无线信号的不规则度是指由传播介质各向异性及设备本身的特点造成的不同方向路径损耗速率不一致的特性，其具体表现为，在不考虑外部噪声等动态影响的情况下，信号强度在各个方向上的衰减速率不一致。在表现无线信号不规则度的改进型RSSI模型中，通常用衰减系数来表征各个方向衰减速率不一致的特性，例如，若方向1的衰减系数为1，方向2的衰减速率是方向1的1.5倍，则方向2的衰减系数为1.5。由于传播介质的连续性等物理因素，在相同通信环境中，衰减速率的差值能反映两个方向夹角的上限，因此，当两个方向夹角确定时，其衰减速率差值也有对应的上限。
具体来说，本发明提供的一种无线自组织网络的位置校验方法，包括如下步骤：
(1)节点A在t1时刻接收并处理来自待校验节点M的信号，包括待校验节点M的位置信息和RSSI信息，进行如下处理：
(11)t1时刻过节点A的位置A1和待校验节点M声明的位置M′1做直线l1，计算并存储直线l1在位置坐标系中的参数；
(12)根据t1时刻节点A接收到的待校验节点M的RSSI信息，计算并存储信号强度衰减系数K1；
(2)节点A在t2时刻接收并处理来自待校验节点M的信号，包括待校验节点M的位置信息和RSSI信息，进行如下处理：
(21)t2时刻过节点A的位置A2和待校验节点M声明的位置M′2做直线l2，计算并存储直线l2在位置坐标系中的参数；
(22)根据t2时刻节点A接收到的待校验节点M的RSSI信息，计算并存储信号强度衰减系数K2；
(3)计算直线l1和直线l2的小于等于180度的夹角，并查询该夹角对应的信号强度衰减系数上限Ψ；
(4)如果K1和K2差值的绝对值大于或等于Ψ，则待校验节点M不可信；否则，待校验节点M可信的。
具体的，通过信息与缓存器提取待校验节点M的位置信息和RSSI信息，通过衰减系数估计与缓存器计算并存储信号强度衰减系数，通过位置校验器计算K1和K2的差值、直线l1和直线l2的小于等于180度的夹角，同时位置校验器内还存储有夹角对应的信号强度衰减系数上限Ψ，通过比较得到待校验节点M的真实性。
在获取信号强度衰减系数K1和K2时，所需的参数通过现场测试或估计得到；t1时刻和t2时刻的时间间隔可以预先设置，也可以通过节点移动速度等参数实时计算得到。
实际操作中，可以采用相邻两次的测量结果进行判断，也可以采用不相邻的两次测量结果进行判断。例如，为了统一测量时间，使用固定的时间间隔进行测量，但测量过程中节点的移动速度可能编号，这时可以同时记录下每次测量时节点A的移动速度，当测量结束时，根据记录的速度决定是否比较相邻的结果。其中一种情况是，假设tn>tn-1>…>t2>t1，根据t1和t2时刻A的速度估计移动距离，若距离足够大(大于等于某个门限值)，则通过比较相邻两次的测量结果来给出判断结果，否则，根据t1和t3时刻A的速度估计移动距离，以此类推，直至两次测量的移动距离足够大为止。
为了提高判断结果的准确性，可以通过多次测量来判断待校验节点M的可信度；举例来说，进行2n次测量产生2n个信号强度衰减系数，通过比较相邻两次估计的信号强度衰减系数得到n个比较结果，最终通过n个比较结果来判断可信度，例如n个比较结果中超过一半的结果为“不可信”则最终判定结果为不可信。
有益效果：本发明提供的无线自组织网络的位置校验方法，能有效应对图3中的场景，同时不需要额外的硬件设备，任何具有无线通信能力的设备均可使用本发明进行位置校验；同时，本发明也不需要外部网络支持，只要两个节点能直接通信，即可完成对对方位置信息的校验；因此，本发明具有应用成本低、应用场景广泛等优势。
附图说明
图1为基于距离的位置校验系统的网络结构；
图2为基于距离的位置校验系统的基本架构；
图3为基于距离的位置校验系统的缺陷；
图4为基于外部网络的位置校验系统的网络结构；
图5为基于外部网络的位置校验系统的基本架构；
图6为基于到达角测量的位置校验系统的基本架构；
图7为本发明的应用场景示意图；
图8为本发明的基本架构；
图9为本发明方法的实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图7所示为一种发明实施例的应用场景图，图中，A1和A2分别是节点A在时刻t1和t2的位置，M1和M2分别是待校验节点M在时刻t1和t2的真实位置，M′1和M′2分别是节点A收到的待校验节点M在时刻t1和t2的位置，为了方便说明，这里假设M在时刻t1和t2的真实位置相同。
本发明的系统架构如图8所示，通过信息与缓存器提取待校验节点M的位置信息和RSSI信息，通过衰减系数估计与缓存器计算并存储信号强度衰减系数，通过位置校验器计算K1和K2的差值、直线l1和直线l2的小于等于180度的夹角，同时位置校验器内还存储有夹角对应的信号强度衰减系数上限Ψ，通过比较得到待校验节点M的真实性。
本发明的实施流程如图9所示，包括如下步骤：
(1)节点A在t1时刻接收并处理来自待校验节点M的信号，包括待校验节点M的位置信息和RSSI信息，进行如下处理：
(11)t1时刻节点过A的位置A1和待校验节点M声明的位置M′1做直线l1，计算并存储直线l1在位置坐标系中的参数；
(12)根据t1时刻节点A接收到的待校验节点M的RSSI信息，计算并存储信号强度衰减系数K1；
(2)节点A在t2时刻接收并处理来自待校验节点M的信号，包括待校验节点M的位置信息和RSSI信息，进行如下处理：
(21)t2时刻过节点A的位置A2和待校验节点M声明的位置M′2做直线l2，计算并存储直线l2在位置坐标系中的参数；
(22)根据t2时刻节点A接收到的待校验节点M的RSSI信息，计算并存储信号强度衰减系数K2；
(3)计算直线l1和直线l2的小于等于180度的夹角，并查询该夹角对应的信号强度衰减系数上限Ψ；
(4)如果K1和K2差值的绝对值大于或等于Ψ，则待校验节点M不可信；否则，待校验节点M可信的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无线自组织网络的位置校验方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)节点A在t1时刻接收并处理来自待校验节点M的信号，包括待校验节点M的位置信息和RSSI信息，进行如下处理：
(11)t1时刻过节点A的位置A1和待校验节点M声明的位置M′1做直线l1，计算并存储直线l1在位置坐标系中的参数；
(12)根据t1时刻节点A接收到的待校验节点M的RSSI信息，计算并存储信号强度衰减系数K1；
(2)节点A在t2时刻接收并处理来自待校验节点M的信号，包括待校验节点M的位置信息和RSSI信息，进行如下处理：
(21)t2时刻过节点A的位置A2和待校验节点M声明的位置M′2做直线l2，计算并存储直线l2在位置坐标系中的参数；
(22)根据t2时刻节点A接收到的待校验节点M的RSSI信息，计算并存储信号强度衰减系数K2；
(3)计算直线l1和直线l2的小于等于180度的夹角，并查询该夹角对应的信号强度衰减系数上限Ψ；
(4)如果K1和K2差值的绝对值大于或等于Ψ，则待校验节点M不可信；否则，待校验节点M可信的。
2.根据权利要求1所述的无线自组织网络的位置校验方法，其特征在于：通过信息与缓存器提取待校验节点M的位置信息和RSSI信息，通过衰减系数估计与缓存器计算并存储信号强度衰减系数，通过位置校验器计算K1和K2的差值、直线l1和直线l2的小于等于180度的夹角，同时位置校验器内还存储有夹角对应的信号强度衰减系数上限Ψ，通过比较得到待校验节点M的真实性。
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