[发明专利]无线传感器安全定位方法

说明书

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及无线自组织网络安全技术，具体是基于对信标内外 一致性的校验，提出一种安全的无线传感器网络节点定位方法，解决传感器网络中节点定位 的安全问题，即节点在被随机部署之后如何正确地获取自己的地理位置信息，防止各种针对 节点定位系统的内部攻击和外部攻击。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型、低成本、低功耗的传感器节点组成 的无线多跳网络，实现对监测区域内敏感数据的采集、处理和发布。传感器网络具有快速部 署、协同感知、高容错性等众多优点，因此在军事、国土安全、环境监视和城市管理等相关 领域极具应用前景。

作为连接物理世界和数字世界的桥梁，传感器网络中节点的位置信息对网络的监控活动 至关重要。传感器网络必须依赖节点的位置信息来构建网络的空间关系，并依此报告事件或 跟踪外部目标。此外，节点的位置信息也是提供网络拓扑自配置、统计网络覆盖质量等网络 功能的重要基础。因此传感器在部署之后必须先采用一定机制实现定位，才能进入监测状态。

1.无线传感器的基本定位方法

受成本、体积、功耗和扩展性等因素的限制，大多数传感器网络采用信标节点辅助的定 位机制，其原理如图1所示：网络预先部署少量通过GPS等方式实现定位的信标节点，传感 器通过接收和测量信标获得与周边多个信标节点的位置关系，然后采用数学方法确定其自身 位置。如图1所示：s通过测量至b₁，b₂，b₃的距离信息d₁，d₂，d₃来确定自身位置。这些定位算法 大致可分为：基于测距定位和无需测距定位。前者通过测量节点间的距离或方位，使用三边 测量、三角测量或极大似然估计等方法计算位置，常用的测距技术有RSSI、TOA、TDOA和 AOA。而后者仅根据网络连通性等信息实现定位计算，常见算法有质心算法、DV-Hop算法、 凸规划算法和APIT算法等。

2.节点定位系统面临的安全威胁

由于自身存在脆弱性，节点定位系统极易遭受来自内部和外部的攻击。一方面，攻击者 可能通过俘获节点获得内部信任，从而实施定位欺骗。另一方面，攻击者也可能采用移位节 点和干扰信号等方式实施外部攻击。显然，物理移动节点是对节点定位系统最直接的安全威 胁。另外，由于定位系统都是依据无线信标传输的某些物理现象(如时延、功耗、入角和转发 跳数等)来测量节点间的位置关系。攻击者很容易采用复制、阻塞和改变传播路径等手段篡改 这些测量结果。由于外部攻击直接针对定位机制的脆弱点，无需获得内部信任，因此可以绕 过各种传统安全机制(如加密和认证等)的防护。

3.现有的无线传感器节点安全定位方法

节点定位系统实质上是一种依据无线通信的物理属性来确定节点空间关系的协作机制， 其安全实现面临巨大的挑战。目前，国内外已有的安全解决方案大致可以归纳成三大类：(1) 基于信标属性校验的安全定位。例如，2004年美国的L.Lazos等人提出的一种无需测距的安 全定位机制SeRLoc。其原理是：信标节点采用定向天线向不同扇区发送信标，未知节点再根 据信标扇区的重叠情况估算自身位置。利用信标扇区的唯一性和通信距离界限性，SeRLoc可 以防范重放攻击。2006年美国的S.Capkun等人提出一种基于距离界限协议的VM机制。利 用距离界限协议和三角校验技术，VM算法可以抵抗各种篡改测距的攻击。(2)基于鲁棒回 归算法的安全定位。该类方法主要针对最小二乘法存在的脆弱性问题，通过提高定位计算的 鲁棒性来增强定位系统容忍攻击的能力。例如，2005年美国的Z.Li等人引入最小中值二乘 估计来提高定位系统容忍攻击的能力。(3)基于入侵检测的安全定位。例如，2005年美国的 D.Liu等人提出的一种恶意信标节点检测方案，其原理为：每个信标节点使用检测ID伪装成 传感器节点主动向邻居信标节点请求定位服务，并参照自身坐标检查对方是否提供正确的信 标，最后由基站统一将恶意信标节点隔离网络。

但是，这上述3种安全定位策略分别存在如下缺点：