CN110944285B - 一种具有隐私保护的水下传感器定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有隐私保护的水下传感器定位方法。本发明根据被测水域部署水面浮标、锚节点、目标传感器节点；判断目标传感器节点是否启动整个网络；接收到启动信号的锚节点向目标传感器节点回复应答信号；锚节点与目标传感器节点进行信息交互，计算出目标传感器与锚节点之间的传播时延；锚节点利用自身真实位置、接收到的随机矩阵和自身留下的随机矩阵求和得到伪位置，从而协助目标传感器求解两者之间的相对距离；利用测量两者在水平面投影的连线与坐标轴的夹角和计算的相对距离进行定位。本发明考虑声线效应提高了水下定位的精度，另一方面考虑位置信息的隐私保护，能保证水下传感器网络的安全性。

Description

一种具有隐私保护的水下传感器定位方法

技术领域

本发明涉及水下传感器网络安全技术领域，尤其涉及一种具有隐私保护的水下传感器定位方法。

背景技术

目前，水下传感器网络定位旨在通过表面浮标、锚节点协同定位以获取水下目标准确的位置信息。水下定位技术可为水下资源开发、水下协同作战、海洋生物研究等应用提供理论基础与技术支撑。但是，在现有的定位方案中，定位信息的泄露是不可避免的，加上水下恶劣的环境特性和某些恶意节点的攻击，使得水下传感器网络定位的安全性不高。

现有技术中，中国专利申请号为201410030002.5，名称为“一种水下传感器网络安全定位方法”给出了一种方案，该方案通过将信任管理和定位两大模块结合的方法实现了水下传感器网络的安全定位。其中，信任管理模块通过观察节点间的交互行为，描述节点的直接信任值，对节点间的直接信任值和全局信任值进行差异计算得出矛盾因子，与矛盾阈值相比较，剔除矛盾因子大于矛盾阈值的节点，从而实现水下安全定位。但上述方法中，信任管理模块与定位模块相分离，系统的可靠性较差，并且信任管理模块没有故障备用装置。一旦信任管理模块出现故障或与定位模块相分离，整套系统将不能继续保证安全性。此外，两个模块增加了成本，难以大范围部署。

另外，中国专利申请号为201810319836.6，名称为“基于声线补偿的海底石油管道泄漏点定位”的专利文件给出了另一种方案，该方案通过构建声线弯曲效应对海底石油管道泄漏点进行优化，进而利用时间戳信息交互建立水下传感器节点与机器人之间的水声传播时间差方程，实现泄漏点的优化问题。可是，上述方法定位过程没有加入隐私保护，如果水下存在生物攻击或者外来节点的恶意攻击将使泄漏点优化问题受到影响。

因此，设计一种既能在水下传感器网络定位过程中加入隐私保护，防止位置信息的泄露，保证系统的定位安全，又不影响水下传感器定位精度的定位方法成为亟待解决的问题。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种具有隐私保护的水下传感器定位方法，以提高水下传感器定位的安全性，同时提高定位的精度。本发明采用的技术手段如下：

一种具有隐私保护的水下传感器定位方法，包括以下步骤：

S1、部署多个锚节点、水面浮标和目标传感器节点，所述锚节点基于水面浮标确定其真实位置；

S2、目标传感器节点与各锚节点信息交互，基于信息传递的时间消除异步时钟的影响；

S3、各锚节点随机生成若干矩阵，其中一个留给此锚节点，其他矩阵发送给其余的锚节点，同时接收其他锚节点生成的随机矩阵，将锚节点的真实位置与它接收到的随机矩阵和自身保留的随机矩阵求和作为伪位置；

S4、基于各锚节点与目标传感器节点之间的传输路径及所述伪位置计算目标传感器节点的真实坐标，实现对目标传感器节点的定位。

进一步地，所述步骤1具体包括：在监测水域，随机部署多个水面浮标、n个锚节点以及1个目标传感器节点(n≥3)，所述水面浮标利用GPS进行定位，锚节点通过水面浮标获取自身位置；水下传感器节点间通过水声通信方式进行信息交互，组成水下传感器网络；锚节点的真实坐标为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)…(X_n,Y_n,Z_n)，其中，X_i、Y_i和Z_i(i∈1,2…n)分别为X轴、Y轴以及Z轴的位置，通过设置在每个传感器节点上的深度传感器得到其Z轴位置。

进一步地，所述步骤2具体包括：目标传感器节点对外广播启动信号启动整个网络，锚节点接收到目标传感器节点的启动信号后，向目标传感器节点回复应答信号；锚节点i与目标传感器节点之间的传输路径在水平面的投影距离为yr_i(i∈1,2…n)，投影与X轴的夹角为θ_i；消除异步时钟的影响包括：水下传感器网络被启动后，锚节点i向目标传感器节点发送第一信息，此时记录为T₁[k](k∈{1,2,…,M})时刻；目标传感器节点接收到消息记录为t₂[k]时刻；随后目标传感器节点在t₃[k]时刻回复第二信息；T₄[k]时刻,锚节点i收到目标传感器节点回复的消息；通过如下时钟模型消除异步时钟的影响：

其中τ₁[k]为第k轮信息交互中目标传感器节点与锚节点之间的传播时延；根据以上通信过程消除时钟偏移；其中，M为一个锚节点与目标传感器节点通信的次数。

进一步地，锚节点数量为3时，即n＝3时，所述步骤3中，锚节点i(i∈{1,2,3})随机生成3个矩阵δ_i,j(j∈{1,2,3}),使得

其中δ_i,i留给锚节点i，剩下的2个随机矩阵发送给其余的2个锚节点，同样的，锚节点i也会接收到来自其它2个锚节点生成的随机矩阵，锚节点的真实位置加上它接收到的随机矩阵和自身保留的随机矩阵作为它的位置使用，即所述伪位置；所述伪位置能够在锚节点运算过程中，既不影响定位结果的精度，又不会泄露锚节点的位置信息，实现对传感器节点位置信息的保护。

进一步地，所述目标传感器节点X轴方向隐私保护算法通过以下方程表示：

上式中X_jj(j∈1,2,3)为锚节点j计算出的目标传感器节点的X轴坐标伪位置。

目标传感器节点的X轴坐标为：X＝(X₁₁+X₂₂+X₃₃)/3；

Y轴方向隐私保护算法可以用以下方程表示：

上式中Y_jj(j∈1,2,3)为锚节点j计算出的目标传感器节点的Y轴坐标伪位置。

目标传感器节点的Y轴坐标为：Y＝(Y₁₁+Y₂₂+Y₃₃)/3。

进一步地，在步骤3中，为解决水下声波信号传播时延出现时钟不同步的情况，基于如下模型进行求解：

式中，k∈{1,2,…,M}，M为一个锚节点与目标传感器节点通信的次数。

进一步地，通信过程中，考虑水下声线弯曲效应，利用计算得到的传播时延求解目标传感器节点与锚节点之间的相对距离；考虑水下的分层效应构建声速随深度Z变化的模型，以提高水下传感器定位精度。

本发明具有以下优点：

1、定位过程中考虑声线弯曲效应和分层补偿效应，没有使用传统的最小二乘法估计位置，而是通过积分，计算目标传感器节点与锚节点的相对距离；本发明考虑水下的实际情况，使得定位精度有很大提高。

2、电磁波在水下衰减速度极快，因此地面定位方法不适用于水下，水下采用声波进行通信，但是声速比电磁波传播速度小的多，所以水下声波信号会有传播时延，出现时钟不同步的情况，如果忽略此问题会造成很大的误差，本发明算法中消除了时钟偏移，使定位误差减小。

3、水下的恶劣环境使得水下传感器网络的安全性极为重要，本发明中通过伪装锚节点的位置信息来保护传感器节点，防止某些恶意节点获取锚节点的位置信息后对其进行攻击从而影响整个水下传感器网络。

基于上述理由本发明可在水下传感器网络安全技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明实施例中三维空间一条声线的示意图。

图3是本发明实施例中消息传递过程中记录的时钟效果图。

图4是本发明实施例中X坐标隐私保护算法示意图。

图5是本发明实施例中Y坐标隐私保护算法示意图。

其中，图2中发送点为锚节点，接收点为目标传感器节点。

图3中锚节点与目标传感器节点发送M轮消息，记录下发送和接收消息的时刻。

图4、5中锚节点互相发送随机矩阵，最终随机矩阵求和为零。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

S1、部署多个锚节点、水面浮标和目标传感器节点，所述锚节点基于水面浮标确定其真实位置；

S2、目标传感器节点与各锚节点信息交互，基于信息传递的时间消除异步时钟的影响；

S3、各锚节点随机生成若干矩阵，其中一个留给此锚节点，其他矩阵发送给其余的锚节点，同时接收其他锚节点生成的随机矩阵，将锚节点的真实位置与它接收到的随机矩阵和自身保留的随机矩阵求和作为伪位置；

S4、基于各锚节点与目标传感器节点之间的传输路径及所述伪位置计算目标传感器节点的真实坐标，实现对目标传感器节点的定位。

具体地，步骤1：在监测水域，随机部署多个水面浮标、n个锚节点以及1个目标传感器节点。本实施例中，锚节点为固定锚节点，其中n≥3。所述水面浮标利用GPS进行定位，锚节点通过水面浮标获取自身位置，之后协助目标传感器节点进行定位。为获取目标传感器节点的位置信息，使用水面浮标和n个锚节点作为联系全球定位系统GPS和目标传感器节点的中间量，n≥3；本实施例中，n选取3，首先全球定位系统GPS对水面浮标进行定位，之后水面浮标对锚节点进行定位，目标传感器节点在锚节点的辅助下进行定位。本发明通过求取目标传感器节点与锚节点投影在水平面的距离来求X轴和Y轴方向上的距离差，从而实现对目标传感器节点的定位，每个传感器节点上配置深度传感器，来获取水下传感器节点的深度坐标；所有水下传感器节点通过声波进行通信，组成水下传感器网络；锚节点的真实坐标为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)、(X₃,Y₃,Z₃)，其中，X_i、Y_i和Z_i(i∈1,2,3)分别为X轴、Y轴以及Z轴的位置，通过设置在每个传感器节点上的深度传感器得到其Z轴位置。

步骤2：目标传感器节点对外广播“INITIATE”启动整个网络后，锚节点接收到目标传感器节点的启动信号后，向目标传感器节点回复应答信号“OK”；因为水下介质不均匀，所以声波不能沿直线传播，如图2所示，声波的传输路径为曲线。假设声线用W＝f(Z)描述，假设此时声速也仅与深度有关，传播时延可以写成：

其中传播时延是计算得到的，通过上述关系式可以求出积分常数C。声波的传输路径投影在水平面上的距离为：

投影在水平面上与X轴的夹角为θ，θ是可测的；根据三角函数相关知识即可求出目标传感器节点相对于锚节点X轴、Y轴方向的位移：y_xr＝y_r*cosθ；y_yr＝y_r*sinθ；不仅简化了定位算法还提高了定位精度。

传播路径可表示为：

上式中，定义W＝f(Z)去描述传播路径；其中W为锚节点与目标传感器节点投影在水平面上的连线方向。

消除水下异步时钟的影响；如图3所示，水下传感器网络被启动后，锚节点i向目标传感器节点发送“MESSAGE”，此时记录为T₁[k]时刻(k∈{1,2,…,M})；目标传感器节点接收到消息记录为t₂[k]时刻；随后目标传感器节点在t₃[k]时刻回复“RECEIVED”；T₄[k]时刻,锚节点i收到目标传感器节点回复的消息；假设时钟模型为

其中τ₁[k]为第k轮信息交互中目标传感器节点与锚节点之间的传播时延；根据以上通信过程消除时间偏移；其中，M为一个锚节点与目标传感器节点通信的次数。

通过时钟模型

消除时钟偏移，消除水下传感器网络中异步时钟的影响。

由于水下介质不均匀，声波在水下不会匀速传播，声速会受水下温度、盐度的影响；根据费马引理，声波在水下不沿直线传播，而是沿传播时间最短的路径传播；传统的定位方法没有考虑这两个方面产生的定位误差，进而考虑声线弯曲效应来提高定位精度。

在步骤4中，声波传播时延τ₁可计算得到；假设声速只随深度变化，传播时延可以表示为随深度变化的形式：

式中z_s为锚节点的深度，z_r为目标传感器节点的深度，C是积分常数；z_s是已知的，z_r是可测的，τ₁是可计算得到的，通过此式可确定积分常数C的值，求出C后，可以得到声波的传播路径投影在水平面上的距离y_r:

传播路径投影在水平面上的直线与X轴的夹角θ是可测的，由此可知目标传感器节点相对于锚节点在X轴方向的位移为:

y_xr＝y_r*cosθ

目标传感器节点相对于锚节点在Y轴方向的位移为:

y_yr＝y_r*sinθ

本实施例考虑水下的分层效应构建声速随深度Z变化的模型具体为：

图2中以一个锚节点到一个目标传感器节点的声线为例，描述了声波的传播路径，传播路径是曲线。声速随深度变化的模型是实验数据处理后近似得到的，只代表一处水域，此模型需根据环境改变对参数进行适当调整。

步骤3：定位过程中，锚节点i(i∈{1,2,3})随机生成3个矩阵δ_i,j(j∈{1,2,3}),使得

其中δ_i,i留给锚节点i，剩下的2个随机矩阵发送给其余的2个锚节点。同样的，锚节点i也会接收到来自其它2个锚节点生成的随机矩阵。隐私保护过程如图4、图5所示。锚节点的真实位置加上它接收到的随机矩阵和自身保留的随机矩阵作为它的位置使用，称为伪位置；锚节点使用伪位置进行运算，既不影响定位结果的精度，又不会泄露锚节点的位置信息，实现了对传感器节点位置信息的保护；

步骤4：使用伪位置加上该方向的相对位移为目标传感器节点的伪位置，以目标传感器节点的X轴坐标为例用公式表示为：

上式中X_jj(j∈1,2,3)为锚节点j计算出的目标传感器节点的X轴坐标伪位置。

3个锚节点求出的伪位置的平均值就是目标传感器节点的真实位置。即:X＝(X₁₁+X₂₂+X₃₃)/3；

目标传感器节点Y轴方向隐私保护算法可以用以下方程表示：

上式中Y_jj(j∈1,2,3)为锚节点j计算出的目标传感器节点的Y轴坐标伪位置。

目标传感器节点的Y轴坐标为：Y＝(Y₁₁+Y₂₂+Y₃₃)/3.

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种具有隐私保护的水下传感器定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、部署多个锚节点、水面浮标和目标传感器节点，所述锚节点基于水面浮标确定其真实位置；

S2、目标传感器节点与各锚节点信息交互，基于信息传递的时间消除异步时钟的影响；

S3、各锚节点随机生成若干矩阵，其中一个留给此锚节点，其他矩阵发送给其余的锚节点，同时接收其他锚节点生成的随机矩阵，将锚节点的真实位置与它接收到的随机矩阵和自身保留的随机矩阵求和作为伪位置；

S4、基于各锚节点与目标传感器节点之间的传输路径及所述伪位置计算目标传感器节点的真实坐标，实现对目标传感器节点的定位；

所述步骤S1具体包括：在监测水域，随机部署多个水面浮标、n个锚节点以及1个目标传感器节点，其中n≥3，锚节点的真实坐标为(X₁,Y₁,Z₁)、(X₂,Y₂,Z₂)…(X_n,Y_n,Z_n)，其中，X_i、Y_i和Z_i分别为X轴、Y轴以及Z轴的位置，其中，i∈1,2…n；

所述步骤S2具体包括：目标传感器节点对外广播启动信号启动整个网络，锚节点接收到目标传感器节点的启动信号后，向目标传感器节点回复应答信号；锚节点i与目标传感器节点之间的传输路径在水平面的投影距离为yr_i，其中，i∈1,2…n，投影与X轴的夹角为θ_i；水下传感器网络被启动后，锚节点i向目标传感器节点发送第一信息，此时记录为T_i,1[k]时刻，其中，k∈{1,2…M}；目标传感器节点接收到消息记录为t_i,2[k]时刻；随后目标传感器节点在t_i,3[k]时刻回复第二信息；T_i,4[k]时刻,锚节点i接收到目标传感器节点回复的消息；

锚节点数量为3时，即n＝3时，所述步骤S3中，锚节点i随机生成3个矩阵δ_i,j,使得

其中，i∈{1,2,3}，j∈{1,2,3}，其中δ_i,i留给锚节点i，剩下的2个随机矩阵发送给其余的2个锚节点，同样的，锚节点i也会接收到来自其它2个锚节点生成的随机矩阵，锚节点的真实位置加上它接收到的随机矩阵和自身保留的随机矩阵作为它的位置使用，即所述伪位置；

所述目标传感器节点X轴方向隐私保护算法通过以下方程表示：

上式中X_jj为锚节点j计算出的目标传感器节点的X轴坐标伪位置，j∈{1,2,3}；

目标传感器节点的X轴坐标为：X＝(X₁₁+X₂₂+X₃₃)/3；

Y轴方向隐私保护算法可以用以下方程表示：

上式中Y_jj为锚节点j计算出的目标传感器节点的Y轴坐标伪位置，j∈{1,2,3}；

目标传感器节点的Y轴坐标为：Y＝(Y₁₁+Y₂₂+Y₃₃)/3；

在步骤S4中，还考虑声线弯曲效应来提高定位精度，具体地，传播时延可以表示为随深度变化的形式：

式中z_s,i为锚节点i的深度，z_r,i为目标传感器节点的深度，C_i是积分常数；通过此式确定积分常数C_i的值，求出C_i后，得到声波的传播路径投影在水平面上的距离y_ri:

传播路径投影在水平面上的直线与X轴的夹角θ_i是可测的，由此可知目标传感器节点相对于锚节点在X轴方向的位移为:

y_xri＝y_ri*cosθ_i

目标传感器节点相对于锚节点在Y轴方向的位移为:

y_yri＝y_ri*sinθ_i

考虑水下的分层效应构建声速随深度Z变化的模型具体为：

2.根据权利要求1所述的具有隐私保护的水下传感器定位方法，其特征在于：所述步骤S1还包括：所述水面浮标利用GPS进行定位，锚节点通过水面浮标获取自身位置；水下传感器节点间通过水声通信方式进行信息交互，组成水下传感器网络；通过设置在每个传感器节点上的深度传感器得到其Z轴位置。

3.根据权利要求2所述的具有隐私保护的水下传感器定位方法，其特征在于：通过如下时钟模型消除异步时钟的影响：

其中τ_i[k]为第k轮信息交互中目标传感器节点与锚节点i之间的传播时延；根据以上通信过程消除时钟偏移；其中，M为一个锚节点与目标传感器节点通信的次数。

4.根据权利要求3所述的具有隐私保护的水下传感器定位方法，其特征在于：在步骤S3中，为解决水下声波信号传播时延出现时钟不同步的情况，基于如下模型进行求解：

式中，k∈{1,2,…,M}，M为一个锚节点与目标传感器节点通信的次数。

Images