葛君山

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211170)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在海上作戰(zhàn)定位系統(tǒng)中的作用

葛君山

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 211170)

摘要：對(duì)艦船位置的精確定位及信息反饋在現(xiàn)代化海上作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中尤為重要。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由眾多具有數(shù)據(jù)采集、信息處理及無線通信傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，它作為海上目標(biāo)定位及信息傳輸關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)在作戰(zhàn)中起到關(guān)鍵作用。本文首先分析海上作戰(zhàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，研究了網(wǎng)絡(luò)的可靠性、安全性及定位精確性問題。最后設(shè)計(jì)一種RSSI傳感網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定定位方法，通過對(duì)采集信息的分層采樣及對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的離散化處理，提高了定位精度。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集；RSSI

0引言

在現(xiàn)代海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中，對(duì)艦隊(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)位置等信息的精確、快速獲取成為制約戰(zhàn)爭(zhēng)成敗的關(guān)鍵。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)由于具有分布式的信息處理、節(jié)點(diǎn)之間的同步通信以及方便的部署條件等優(yōu)點(diǎn)在整個(gè)海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)交易受到對(duì)方攻擊，對(duì)定位的精確性造成較大的影響，同時(shí)通信傳輸也存在較大的不安全因素。

本文首先對(duì)現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在單節(jié)點(diǎn)定位的精確性及安全性進(jìn)行討論，分析了現(xiàn)有措施的利弊。重點(diǎn)研究了現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的RSSI定位算法，對(duì)算法在移動(dòng)過程中的定位精確性、穩(wěn)定性問題進(jìn)行討論。最后本文改進(jìn)現(xiàn)有的RSSI定位算法，通過對(duì)傳感器采集信號(hào)的多重采樣、對(duì)算法結(jié)果進(jìn)行二次離散化及歸一化調(diào)整，提高了無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位的穩(wěn)定性。

最后，本文對(duì)算法進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的RSSI定位算法同時(shí)在精度及穩(wěn)定性方面都得到了很大的提升。

1無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位可靠性描述

1.1　無線傳感節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由單個(gè)的具有數(shù)據(jù)采集、信息處理及通信傳輸?shù)葐喂?jié)點(diǎn)通過無線通信協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的單一節(jié)點(diǎn)主要由通信收發(fā)器(如GPRS)、信號(hào)處理存儲(chǔ)單元及數(shù)據(jù)采集單元組成。傳感器節(jié)點(diǎn)組成如圖1所示。

圖1　無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成圖Fig.1　Diagram of wireless sensor network node composition

海面作戰(zhàn)系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)除了單個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)外，還需要與作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)連接。SINK節(jié)點(diǎn)是聯(lián)系傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁，由于2種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以不同，SINK還擔(dān)負(fù)起不同通信協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。它接收內(nèi)部傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信號(hào)并傳輸至外部網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)也接收外部的命令信息轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)部傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。所以SINK必須有較強(qiáng)的通信協(xié)議融合能力及存儲(chǔ)計(jì)算能力。

1.2　無線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠性定位描述

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中，對(duì)于單個(gè)節(jié)點(diǎn)的定位以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的定位一直是其重要的課題。經(jīng)過多年的發(fā)展，可以將眾多的定位算法分為以下幾類：

1)相對(duì)定位及絕對(duì)定位算法：如利用GPS信號(hào)確定節(jié)點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)為絕對(duì)定位；而以傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的某一節(jié)點(diǎn)為參考點(diǎn)，通過傳感器信息傳輸獲取其他節(jié)點(diǎn)相對(duì)參考點(diǎn)的坐標(biāo)為相對(duì)定位，如Spot ON、LPS算法。

2)精度定位及粗略定位：根據(jù)與參考點(diǎn)中間的信號(hào)幅值及時(shí)間片段得到離參考點(diǎn)具體的距離及方向?yàn)榫榷ㄎ?，如RADAR；而粗略定位只是利用與參考點(diǎn)的物理感知獲取遠(yuǎn)近信息，如Active Badge。

3)測(cè)量輔助定位及無測(cè)量輔助定位：測(cè)量輔助定位需通過技術(shù)手段測(cè)量節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的距離及角度，從而利用最大似然估計(jì)法建立節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，如TOA、RSSI；而僅利用傳感網(wǎng)絡(luò)的連接方式獲取位置信息稱為無測(cè)量輔助定位，如DV-hop、質(zhì)心算法。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開放網(wǎng)絡(luò)，在定位中較易收到攻擊。攻擊者主要利用攻擊傳感器節(jié)點(diǎn)位置信息傳輸?shù)臒o線通信鏈路，主要的攻擊方式有以下2種：

1)針對(duì)測(cè)量輔助定位算法的攻擊：攻擊者可以惡意改變參考節(jié)點(diǎn)信息或進(jìn)行信號(hào)傳輸過程中的無線電干擾來對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位進(jìn)行破壞，從而降低定位精度甚至造成錯(cuò)誤定位。

2)針對(duì)無測(cè)量輔助定位算法的攻擊：如在質(zhì)心算法中，可以通過攻擊隔離的相鄰父或兄弟節(jié)點(diǎn)，如在這些節(jié)點(diǎn)附近增加信號(hào)干擾器，從而降低定位精度。

2基于對(duì)稱密碼反攻擊安全定位

2.1　算法描述

由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開放性及無線鏈路易受到攻擊，本文針對(duì)一種攻擊模式-偽裝攻擊，提出了一種對(duì)稱密碼來對(duì)攻擊信號(hào)進(jìn)行過濾。

偽裝攻擊主要攻擊手段是通過無線鏈路向傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)廣播虛假位置信息從而影響定位精度。這里，通過對(duì)原始信息進(jìn)行對(duì)稱性加密，在接受節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解密認(rèn)證，沒通過認(rèn)證的信息即視為偽造信息，對(duì)此進(jìn)行過濾。

基于對(duì)稱密碼反攻擊安全定位算法分為以下3個(gè)步驟：

1)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，參考節(jié)點(diǎn)在向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息前先計(jì)算自身的私匙及hash認(rèn)證碼。同時(shí)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)約定全局共享密匙，在節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸使用共享密匙進(jìn)行加密認(rèn)證。

2)網(wǎng)絡(luò)中非參考節(jié)點(diǎn)在接收到參考點(diǎn)發(fā)送的廣播消息，首先利用共享密匙進(jìn)行消息解密，再讀取解密消息中攜帶的節(jié)點(diǎn)約定符以及自身的私匙，對(duì)廣播消息進(jìn)行認(rèn)證。

3)通過認(rèn)證的消息進(jìn)入定位算法源信息庫(kù)，否則直接拋棄。

這里，使用對(duì)稱性密匙DES和RC5進(jìn)行加密。設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)公共對(duì)稱密匙為k，參考節(jié)點(diǎn)廣播信息m通過k加密后變?yōu)镋k(m)，其他節(jié)點(diǎn)接收信息M解密后為Dk(M)。網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為N，標(biāo)記為ID1,ID2,…IDN，mi(i=1,2,…，N)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)將要發(fā)送的信息，加入hash認(rèn)證信息后為hash(mi)；同樣Mi(i=1,2,…，N)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)接收的信息，加入hash認(rèn)證信息后為hash(Mi)。ki(i=1,2,…，N)為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)將要發(fā)送的信息私匙，它是利用函數(shù)f(IDi,K)得到的。最后通過函數(shù)f(Mi)進(jìn)行定位。

最后，假設(shè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)預(yù)估值為(Xe,Ye)，真實(shí)位置為(Xa,Ya)，則最終的誤差值為：

(1)

2.2　算法實(shí)驗(yàn)

整個(gè)實(shí)驗(yàn)基于MicaZ構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，通信協(xié)議為IEEE802.15.4，信號(hào)傳輸波段為2.4 GHz，信號(hào)傳輸速率最高為250 kpbs，利用質(zhì)心算法進(jìn)行信號(hào)對(duì)稱性加密及認(rèn)證。模擬區(qū)域?yàn)?×5 m的方格，整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)由7個(gè)單節(jié)點(diǎn)組成，其中4個(gè)合法節(jié)點(diǎn)，3個(gè)偽裝節(jié)點(diǎn)， 4個(gè)合法節(jié)點(diǎn)在模擬區(qū)域的4個(gè)頂點(diǎn)，設(shè)坐標(biāo)分別為(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)；3個(gè)偽裝節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)分別為(0,3)、(2,1)、(3,3)。最后定位的系統(tǒng)誤差曲線如圖2所示。

圖2　三種情況下的定位誤差曲線Fig.2　Curve of positioning error under three different conditions

3改進(jìn)型RSSI傳感網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定定位方法

3.1　算法原理及模型

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的RSSI算法是在質(zhì)心定位算法的基礎(chǔ)上，通過加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)連通性發(fā)展而來。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中參考節(jié)點(diǎn)以一定周期向它的兄弟節(jié)點(diǎn)廣播攜帶自身位置與標(biāo)識(shí)符的信息包。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)接收到來自多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)攜帶有位置信息的消息時(shí)，設(shè)定一個(gè)接收數(shù)量閥值N或時(shí)間閥值，當(dāng)達(dá)到這個(gè)閥值時(shí)，則計(jì)算出每個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并將其標(biāo)記為與強(qiáng)度有關(guān)的信號(hào)量。由無線信道衰減原理可知，目標(biāo)位置最終接受的信號(hào)強(qiáng)度與發(fā)射點(diǎn)的距離α成反比，所以其他節(jié)點(diǎn)可根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度來設(shè)計(jì)不同的參考點(diǎn)權(quán)值，最后根據(jù)權(quán)值與參考節(jié)點(diǎn)定位的歸一化，得到自身的位置,計(jì)算式如下：

(2)

式中(Xest,Yest)為傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置；Pi(i=1,2,…N)為節(jié)點(diǎn)t時(shí)接收到的第i個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；α為信道衰減系數(shù)。通過此式可推理出，與質(zhì)心算法相比，定位精度會(huì)得到一定的提升，但是穩(wěn)定性并沒有改變。

1)針對(duì)接收信號(hào)多重采樣

在未改進(jìn)前的RSSI算法對(duì)接收信號(hào)是一次采樣，意思是接收到信號(hào)即利用它進(jìn)行定位，并沒有一個(gè)篩選過程。而我們知道，由于無線信號(hào)在海面?zhèn)鞑ミ^程中的衰減、多徑、噪聲及折射反射等干擾因素，不同時(shí)刻對(duì)參考點(diǎn)計(jì)算的RSSI值不同，表1為節(jié)點(diǎn)至參考點(diǎn)距離為4 m，不同時(shí)刻測(cè)量的RSSI值。

表1　不同時(shí)刻的RSSI測(cè)量值

為了平滑RSSI值，采取對(duì)信號(hào)的多重采樣。

2)離散化定位

這里提出離散化定位思想，即將整體無線傳感網(wǎng)絡(luò)劃分為邊長(zhǎng)相等的子網(wǎng)絡(luò)，在子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)將統(tǒng)一歸至該網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)心處。

設(shè)L(t)為t時(shí)刻利用改進(jìn)前的RSSI算法計(jì)算的整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)(Xest,Yest)，進(jìn)行離散化后用DL(t)表示；DL(t).x為離散化后的橫坐標(biāo)，DL(t).y為離散化后的縱坐標(biāo)；gl為離散子網(wǎng)的方格長(zhǎng)度；β為介于0~1的系數(shù)。

離散化方法為：假設(shè)在t時(shí)刻得到的離散化前節(jié)點(diǎn)位置橫坐標(biāo)為L(zhǎng)(t).x，縱坐標(biāo)為L(zhǎng)(t).y；在它前一時(shí)刻離散化后的橫坐標(biāo)為DL(t).x， 縱坐標(biāo)為DL(t).y；兩者之間的差比(1+β)×gl/2小，則t時(shí)刻離散化后的位置保持不變，否則將之歸一化到與離散化前L(t)相對(duì)應(yīng)的子網(wǎng)格中，如圖3所示。

圖3　節(jié)點(diǎn)位置離散化圖Fig.3　Node location discrete map

3.2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)實(shí)驗(yàn)基于MicaZ構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，模擬區(qū)域5×5 m的方格， 4個(gè)合法節(jié)點(diǎn)在模擬區(qū)域的4個(gè)頂點(diǎn)，設(shè)坐標(biāo)分別為(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)。然后將這個(gè)區(qū)域離散化為25個(gè)1×1 m的方格，最后選取10個(gè)未知節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。

根據(jù)海面無線信道衰減理論，設(shè)α(1.9≤α≤2.1)，則普通質(zhì)心算法、RSSI算法及改進(jìn)后的RSSI穩(wěn)定算法的比較如表2所示。

表2　三種算法定位誤差及定位穩(wěn)定性比較表

從表2可看出，質(zhì)心算法的穩(wěn)定性最高，但是其誤差較大，RSSI算法正好相反，改進(jìn)后RSSI穩(wěn)定算法對(duì)于穩(wěn)定性和平均誤差都得到較大的提升。

圖4給出了3種算法誤差概率分布圖。

圖4　三種算法定位誤差概率圖Fig.4　The map of positioning error probability

4結(jié)語

本文重點(diǎn)研究了海面作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)易受攻擊的特點(diǎn)，提出了基于對(duì)稱密碼反攻擊安全定位；同時(shí)研究了質(zhì)心定位算法及RSSI算法利弊，改進(jìn)了現(xiàn)有算法，提出了一種改進(jìn)型RSSI傳感網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定定位方法，通過實(shí)驗(yàn)證明其在定位穩(wěn)定性及誤差性能方面都能滿足要求，有很高的實(shí)用性。

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Research on the wireless sensor network of maritime combat positioning system

GE Jun-shan

(Jiangsu Maritime Institute,Nanjing 211170,China)

Abstract：To obtain the precise positioning of ship and other information quickly is especially important to maritime combat command system, wireless sensor network become an important part of the combat command system. This paper analyzes architecture of wireless sensor network and research the reliability and security of the network. Finally, design a stable positioning method based on RSSI.

Key words：wireless sensor network;data acquisition;RSSI

作者簡(jiǎn)介：葛君山(1965-)，男，副教授，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化技術(shù)。

基金項(xiàng)目：中國(guó)交通教育研究會(huì)交教研課題資助項(xiàng)目(1402-233)；2014-2016年度教育科學(xué)研究課題資助項(xiàng)目

收稿日期：2014-08-19； 修回日期： 2014-12-03

文章編號(hào)：1672-7649(2015)02-0184-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.041

中圖分類號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A