[发明专利]一种无线传感器网络安全多跳定位方法

权利要求书

1.一种无线传感器网络安全多跳定位方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一：所有节点获取自身到其多跳可通讯范围内所有锚节点的多跳距离和多跳距离跳数；

1)所有锚节点向无线传感器网络中广播包含自身ID和自身位置坐标的位置信息帧，第i个锚节点N_i广播的位置信息帧LF_i的格式为：

LF_i＝{i，X_i，H_i，d_i}    (1)

其中，X_i为锚节点N_i广播的位置坐标；H_i为LF_i所经过的跳段数目，初始化为0；d_i为LF_i所经过的跳段距离之和，初始化为0；

2)当无线传感器网络中的一个节点N_p接收到自身相邻节点N_q发送或转发的锚节点N_i的位置信息帧LF_i时，判断节点N_p在此时刻之前是否收到过锚节点N_i的位置信息帧p、q代表节点N_p、N_q的ID，均取自然数，且p≠q；

①当节点N_p之前没有收到过锚节点N_i的位置信息帧时，更新锚节点N_i的位置信息帧LF_i，更新后的锚节点N_i的位置信息帧LF_i′为：

LF_i′＝{i，X_i，(H_i+1)，(d_i+d_pq)}    (2)

其中，d_pq为节点N_p到相邻节点N_q的测量距离，节点保存更新后的锚节点N_i的位置信息帧LF_i′，并判断(H_i+1)＜TTL是否成立，TTL为所有节点广播的信息帧的生命周期，取自然数；如果成立，节点N_p将更新后的锚节点N_i的位置信息帧LF_i′广播给节点N_p的相邻节点；如果不成立，N_p将不广播更新后的锚节点N_i的位置信息帧LF_i′给节点N_p的相邻节点；

②当节点N_p之前收到过锚节点N_i的位置信息帧时，判断新收到的锚节点N_i的位置信息帧LF_i中的d_i与节点N_p到相邻节点N_q的测量距离d_pq之和是否小于节点N_p之前收到并保存的锚节点N_i的位置信息帧中的d_i；

如果小于，则按照公式(2)将节点N_p之前收到并保存的N_i的位置信息帧更新为LF_i′，并将更新后的锚节点N_i的位置信息帧LF_i′广播给节点N_p的相邻节点；否则，不更新自身之前收到并保存的N_i的位置信息帧

3)当无线传感器网络中不再有位置信息帧交互时，所有节点保存的锚节点位置信息帧中的位置信息帧所经过的跳段距离之和和所经过的跳段数目为节点自身到相应锚节点的多跳距离和多跳距离跳数；

步骤二：锚节点对其多跳可通讯范围内其他锚节点广播的坐标的信任度进行评估；

锚节点N_i对其多跳可通讯范围内任意锚节点N_j广播的位置坐标X_j的信任度评估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}包括‘可信(T)’、‘不确定(T，U)’和‘不可信(U)’三个状态的评估值，其中m_ij(T)为坐标X_j可信的程度，m_ij(T，U)为不确定坐标X_j是否可信的程度，m_ij(U)为坐标X_j不可信的程度，m_ij(T)、m_ij(T，U)和m_ij(U)均取不大于1的正实数，且m_ij(T)+m_ij(T，U)+m_ij(U)＝1，i、j代表锚节点N_i、N_j的ID，均取自然数，且i≠j；

根据锚节点N_i和锚节点N_j间的计算距离D_ij和两者间的多跳距离d_ij，以传感器节点的通讯半径R和H_ij*R为分界点，其中H_ij为锚节点N_i到锚节点N_j的多跳距离跳数，分以下三种情况确定锚节点N_i对锚节点N_j广播的位置坐标X_j的信任度评估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}：

1)如果锚节点N_i和锚节点N_j间的计算距离D_ij大于H_ij*R，D_ij＞H_ij*R，锚节点N_i对锚节点N_j广播的位置坐标X_j的信任度评估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}取

mij(T)=0mij(T,U)=τ1mij(U)=1-τ1---(3)]]>

其中，τ₁为情况1)下的不确定度；

2)如果锚节点N_i和锚节点N_j间的计算距离D_ij不大于H_ij*R，但D_ij与锚节点N_i和锚节点N_j间的多跳距离的差值的绝对值大于传感器节点的通讯半径R，D_ij≤H_ij*R且|D_ij-d_ij|＞R，其中d_ij表示锚节点N_i到锚节点N_j的多跳距离，锚节点N_i对锚节点N_j广播的位置坐标X_j的信任度评估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}取

mij(T)=1-T2-τ2mij(T,U)=τ2mij(U)=T2---(4)]]>

其中，τ₂为情况2)下的不确定度，T₂为情况2)下的不可信度；

3)如果锚节点N_i和锚节点N_j间的计算距离D_ij不大于H_ij*R，且D_ij与锚节点N_i和锚节点N_j间的多跳距离d_ij的差值的绝对值不大于传感器节点的通讯半径R，D_ij≤H_ij*R且|D_ij-d_ij|≤R，锚节点N_i根据D_ij与d_ij的差值的绝对值ε_ij＝|D_ij-d_ij|来确定锚节点N_j广播的位置坐标X_j的信任度评估值M_ij＝{m_ij(T)，m_ij(T，U)，m_ij(U)}，取

mij(T)=1-ϵijRmij(T,U)=1-mij(T)mij(U)=0---(5)]]>

步骤三：锚节点以多跳的方式广播其获得的信任度评估值；

1)所有锚节点向无线传感器网络中广播包含自身所获得的信任度评估值的评估信息帧，第i个锚节点N_i广播的评估信息帧EF_i的格式为：

EF_i＝{{i，j，M_ij}|锚节点N_j位于锚节点N_i的多跳可通讯范围内}    (6)

其中M_ij表示锚节点N_i对锚节点N_j广播的位置坐标X_j的信任度评估值；

2)当无线传感器网络中的一个节点N_p接收到其相邻节点N_q发送或转发的锚节点N_i的评估信息帧EF_i时，节点N_p判断N_p自身此刻之前是否收到过锚节点N_i的评估信息帧EF_i；

①如果节点N_p此刻之前未收到过锚节点N_i的评估信息帧EF_i，节点N_p保存锚节点N_i的评估信息帧EF_i，并在TTL允许的范围内将锚节点N_i的评估信息帧EF_i转发给节点N_p的相邻节点；

②如果节点N_p此刻之前收到过锚节点N_i的评估信息帧EF_i，节点N_p丢弃锚节点N_i的评估信息帧EF_i；

步骤四：未知节点求解其多跳可通讯范围内锚节点的综合信任值；

当未知节点N_u接收到其多跳可通讯范围与锚节点N_k的多跳可通讯范围的交集内所有的锚节点N_j(j＝1，2，…，L)对锚节点N_k广播的位置坐标X_k的信任度评估值M_jk(j＝1，2，…，L)时，利用增强型的登普斯特-谢弗证据合成规则，求出锚节点N_k广播的位置坐标X_k的综合信任值，其中u代表未知节点N_u的ID，取自然数，L代表未知节点N_u接收到的信任度评估值数量，取自然数，k、j代表锚节点N_k、N_j的ID，均取自然数，且k≠j，具体步骤为：

1)求解每个信任度评估值M_jk的偏离程度δ_jk：

δjk=||Mjk-1LΣj=1LMjk||2---(7)]]>

2)根据公式(8)判断是否接受某一个信任度评估值M_jk参与证据合成：

其中，Δ为判断是否接受M_jk的阈值；

3)根据公式(8)，未知节点N_u得到一组小冲突证据集{M_1k，M_2k，…，M_Sk}，其中S为小冲突证据集中信任度评估值的数量，S≤L；未知节点N_u根据小冲突证据集{M_1k，M_2k，…，M_Sk}，利用登普斯特-谢弗证据合成规则获得锚节点N_k广播的位置坐标X_k的综合信任值

Z_uk＝{m_uk(T)，m_uk(T，U)，m_uk(U)}：

其中，集合Θ＝{T，U}为识别框架，表示代表空集，A表示‘可信(T)’、‘不确定(T，U)’和‘不可信(U)’三个状态中的某一个状态，归一化系数G为：

A_tk(t＝1，2，…，S)为集合Θ的任意子集，t为A_tk的序号，取自然数；

根据以上过程，未知节点N_u得出其多跳可通讯范围内所有锚节点N_k(k＝1，2，…，K)广播的位置坐标X_k(k＝1，2，…，K)的综合信任值Z_uk(k＝1，2，…，K)，K表示N_u多跳可通讯范围内锚节点的数量，取自然数；取锚节点N_k的信度B_uk＝m_uk(T)；

步骤五：未知节点建立包含锚节点信度的坐标估计方程组；

未知节点N_u根据其多跳可通讯范围内所有锚节点N_k(k＝1，2，…，K)广播的位置坐标X_k(k＝1，2，…，K)、锚节点N_k(k＝1，2，…，K)的信度B_uk(k＝1，2，…，K)以及N_u自身到相应锚节点的多跳距离d_uk(k＝1，2，…，K)，建立包含锚节点信度的加权欧式方程组：

Bu1(xu-x1)2+(yu-y1)2+(zu-z1)2=Bu1du1Bu2(xu-x2)2+(yu-y2)2+(zu-z2)2=Bu2du2···BuK(xu-xK)2+(yu-yK)2+(zu-zK)2=BuKduK---(10)]]>

其中，X_u＝[x_u，y_u，z_u]^T为未知节点N_u的待估坐标，X_k＝[x_k，y_k，z_k]^T(k＝1，2，…，K)为锚节点N_k(k＝1，2，…，K)广播的位置坐标；

步骤六：未知节点求解自身的位置坐标；

未知节点根据自身建立的加权欧式方程组，采用基于泰勒展开的加权最小二乘迭代法求出自身的位置坐标：

1)计算K个锚节点的质心X0=[x0,y0,z0]T=1KΣk=1KXk,]]>令未知节点N_u的坐标估计值X^u=[x^u,y^u,z^u]T=X0,]]>设定迭代次数I＝0；

2)令xu=x^u+Δxu,]]>yu=y^u+Δyu]]>和zu=z^u+Δzu,]]>Δx_u、Δy_u和Δz_u分别表示和的增量；将公式(10)中的在未知节点N_u的坐标估计值处进行泰勒级数展开，忽略二阶以上分量：

(xu-xk)2+(yu-yk)2+(zu-zk)2=rk+x^u-xkrkΔxu+y^u-ykrkΔyu+z^u-zkrkΔzu---(11)]]>

其中，rk=(x^u-xk)2+(y^u-yk)2+(z^u-zk)2,(k=1,2,···,K)]]>为未知节点N_u的坐标估计值到锚节点N_k(k＝1，2，…，K)广播的位置坐标的X_k(k＝1，2，…，K)的欧式距离，公式(10)转化为：

Bu1(x^u-x1r1Δxu+y^u-y1r1Δyu+z^u-z1r1Δzu)=Bu1(du1-r1)Bu2(x^u-x2r2Δxu+y^u-y2r2Δyu+z^u-z2r2Δzu)=Bu2(du2-r2)···BuK(x^u-xKrKΔxu+y^u-yKrKΔyu+z^u-zKrKΔzu)=BuK(duK-rK)---(12)]]>

3)取A=x^u-x1r1y^u-y1r1z^u-z1r1x^u-x2r2y^u-y2r2z^u-z2r2···x^u-xKrKy^u-yKrKz^u-zKrK,]]>ΔXu=ΔxuΔyuΔzu]]>和D=du1-r1du2-r2···duK-rK,]]>公式(12)简化为：

WAΔX_u＝WD    (13)

4)计算公式(13)的最小二乘解ΔX_u＝(A^TW^TWA)^-1A^TW^TD；

5)判断迭代停止条件||ΔX_u||₂≤Ψ是否成立，Ψ为迭代计算中坐标增量的阈值；

若迭代停止条件成立，停止计算，即为未知节点N_u的估计坐标；否则，令I＝I+1，进入步骤6)；

6)判断I≥I_max是否成立，其中I_max为最大迭代次数允许值，取自然数；

如果成立，则停止计算，即为未知节点N_u的估计坐标；否则，取返回步骤2)，直至求出未知节点N_u的估计坐标。