葛君山

(江苏海事职业技术学院,江苏 南京 211170)

无线传感网络在海上作战定位系统中的作用

葛君山

(江苏海事职业技术学院,江苏 南京 211170)

摘要：对舰船位置的精确定位及信息反馈在现代化海上作战指挥系统中尤为重要。无线传感网络由众多具有数据采集、信息处理及无线通信传感器节点组成的网络，它作为海上目标定位及信息传输关键网络在作战中起到关键作用。本文首先分析海上作战无线传感网络结构，研究了网络的可靠性、安全性及定位精确性问题。最后设计一种RSSI传感网络稳定定位方法，通过对采集信息的分层采样及对无线传感网络的离散化处理，提高了定位精度。

关键词：无线传感网络；数据采集；RSSI

0引言

在现代海上作战系统中，对舰队单个节点位置等信息的精确、快速获取成为制约战争成败的关键。而无线传感网络由于具有分布式的信息处理、节点之间的同步通信以及方便的部署条件等优点在整个海上作战系统中得到了广泛的应用。但现有的无线传感网络交易受到对方攻击，对定位的精确性造成较大的影响，同时通信传输也存在较大的不安全因素。

本文首先对现有的无线传感网络在单节点定位的精确性及安全性进行讨论，分析了现有措施的利弊。重点研究了现有无线传感网络中的RSSI定位算法，对算法在移动过程中的定位精确性、稳定性问题进行讨论。最后本文改进现有的RSSI定位算法，通过对传感器采集信号的多重采样、对算法结果进行二次离散化及归一化调整，提高了无线传感网络定位的稳定性。

最后，本文对算法进行了仿真试验，实验结果表明，优化后的RSSI定位算法同时在精度及稳定性方面都得到了很大的提升。

1无线传感网络定位可靠性描述

1.1　无线传感节点及网络结构

无线传感网络是由单个的具有数据采集、信息处理及通信传输等单节点通过无线通信协议组成网络。网络中的单一节点主要由通信收发器(如GPRS)、信号处理存储单元及数据采集单元组成。传感器节点组成如图1所示。

图1　无线传感网络节点组成图Fig.1　Diagram of wireless sensor network node composition

海面作战系统的无线传感网络除了单个节点组成的传感器网络外，还需要与作战指挥系统连接。SINK节点是联系传感器节点内部网络与外部网络的桥梁，由于2种网络协议可以不同，SINK还担负起不同通信协议转换功能。它接收内部传感器节点采集的信号并传输至外部网络；同时也接收外部的命令信息转发到内部传感器节点网络。所以SINK必须有较强的通信协议融合能力及存储计算能力。

1.2　无线传感网络可靠性定位描述

在无线传感网络研究领域中，对于单个节点的定位以及节点与节点之间的定位一直是其重要的课题。经过多年的发展，可以将众多的定位算法分为以下几类：

1)相对定位及绝对定位算法：如利用GPS信号确定节点经纬度坐标为绝对定位；而以传感器节点网络中的某一节点为参考点，通过传感器信息传输获取其他节点相对参考点的坐标为相对定位，如Spot ON、LPS算法。

2)精度定位及粗略定位：根据与参考点中间的信号幅值及时间片段得到离参考点具体的距离及方向为精度定位，如RADAR；而粗略定位只是利用与参考点的物理感知获取远近信息，如Active Badge。

3)测量辅助定位及无测量辅助定位：测量辅助定位需通过技术手段测量节点与节点的距离及角度，从而利用最大似然估计法建立节点坐标，如TOA、RSSI；而仅利用传感网络的连接方式获取位置信息称为无测量辅助定位，如DV-hop、质心算法。

无线传感网络是一个开放网络，在定位中较易收到攻击。攻击者主要利用攻击传感器节点位置信息传输的无线通信链路，主要的攻击方式有以下2种：

1)针对测量辅助定位算法的攻击：攻击者可以恶意改变参考节点信息或进行信号传输过程中的无线电干扰来对网络节点定位进行破坏，从而降低定位精度甚至造成错误定位。

2)针对无测量辅助定位算法的攻击：如在质心算法中，可以通过攻击隔离的相邻父或兄弟节点，如在这些节点附近增加信号干扰器，从而降低定位精度。

2基于对称密码反攻击安全定位

2.1　算法描述

由于无线传感网络的开放性及无线链路易受到攻击，本文针对一种攻击模式-伪装攻击，提出了一种对称密码来对攻击信号进行过滤。

伪装攻击主要攻击手段是通过无线链路向传感器节点网络广播虚假位置信息从而影响定位精度。这里，通过对原始信息进行对称性加密，在接受节点进行解密认证，没通过认证的信息即视为伪造信息，对此进行过滤。

基于对称密码反攻击安全定位算法分为以下3个步骤：

1)在无线传感网络中，参考节点在向其他节点发送信息前先计算自身的私匙及hash认证码。同时网络所有节点约定全局共享密匙，在节点之间信息传输使用共享密匙进行加密认证。

2)网络中非参考节点在接收到参考点发送的广播消息，首先利用共享密匙进行消息解密，再读取解密消息中携带的节点约定符以及自身的私匙，对广播消息进行认证。

3)通过认证的消息进入定位算法源信息库，否则直接抛弃。

这里，使用对称性密匙DES和RC5进行加密。设无线传感网络公共对称密匙为k，参考节点广播信息m通过k加密后变为Ek(m)，其他节点接收信息M解密后为Dk(M)。网络中单个节点总数为N，标记为ID1,ID2,…IDN，mi(i=1,2,…，N)为第i个节点将要发送的信息，加入hash认证信息后为hash(mi)；同样Mi(i=1,2,…，N)为第i个节点接收的信息，加入hash认证信息后为hash(Mi)。ki(i=1,2,…，N)为第i个节点将要发送的信息私匙，它是利用函数f(IDi,K)得到的。最后通过函数f(Mi)进行定位。

最后，假设无线传感网络节点的坐标预估值为(Xe,Ye)，真实位置为(Xa,Ya)，则最终的误差值为：

(1)

2.2　算法实验

整个实验基于MicaZ构建的节点平台，通信协议为IEEE802.15.4，信号传输波段为2.4 GHz，信号传输速率最高为250 kpbs，利用质心算法进行信号对称性加密及认证。模拟区域为5×5 m的方格，整个无线传感网络由7个单节点组成，其中4个合法节点，3个伪装节点， 4个合法节点在模拟区域的4个顶点，设坐标分别为(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)；3个伪装节点坐标分别为(0,3)、(2,1)、(3,3)。最后定位的系统误差曲线如图2所示。

图2　三种情况下的定位误差曲线Fig.2　Curve of positioning error under three different conditions

3改进型RSSI传感网络稳定定位方法

3.1　算法原理及模型

无线传感网络的RSSI算法是在质心定位算法的基础上，通过加强网络连通性发展而来。假设网络中参考节点以一定周期向它的兄弟节点广播携带自身位置与标识符的信息包。当其他节点接收到来自多个参考节点携带有位置信息的消息时，设定一个接收数量阀值N或时间阀值，当达到这个阀值时，则计算出每个参考节点的RSSI值，并将其标记为与强度有关的信号量。由无线信道衰减原理可知，目标位置最终接受的信号强度与发射点的距离α成反比，所以其他节点可根据接收到的信号强度来设计不同的参考点权值，最后根据权值与参考节点定位的归一化，得到自身的位置,计算式如下：

(2)

式中(Xest,Yest)为传感器网络节点位置；Pi(i=1,2,…N)为节点t时接收到的第i个参考节点的信号强度；α为信道衰减系数。通过此式可推理出，与质心算法相比，定位精度会得到一定的提升，但是稳定性并没有改变。

1)针对接收信号多重采样

在未改进前的RSSI算法对接收信号是一次采样，意思是接收到信号即利用它进行定位，并没有一个筛选过程。而我们知道，由于无线信号在海面传播过程中的衰减、多径、噪声及折射反射等干扰因素，不同时刻对参考点计算的RSSI值不同，表1为节点至参考点距离为4 m，不同时刻测量的RSSI值。

表1　不同时刻的RSSI测量值

为了平滑RSSI值，采取对信号的多重采样。

2)离散化定位

这里提出离散化定位思想，即将整体无线传感网络划分为边长相等的子网络，在子网中的节点将统一归至该网络的质心处。

设L(t)为t时刻利用改进前的RSSI算法计算的整个无线传感网络坐标(Xest,Yest)，进行离散化后用DL(t)表示；DL(t).x为离散化后的横坐标，DL(t).y为离散化后的纵坐标；gl为离散子网的方格长度；β为介于0~1的系数。

离散化方法为：假设在t时刻得到的离散化前节点位置横坐标为L(t).x，纵坐标为L(t).y；在它前一时刻离散化后的横坐标为DL(t).x， 纵坐标为DL(t).y；两者之间的差比(1+β)×gl/2小，则t时刻离散化后的位置保持不变，否则将之归一化到与离散化前L(t)相对应的子网格中，如图3所示。

图3　节点位置离散化图Fig.3　Node location discrete map

3.2　实验结果

整个实验基于MicaZ构建的节点平台，模拟区域5×5 m的方格， 4个合法节点在模拟区域的4个顶点，设坐标分别为(0,0)、(0,5)、(5,5)、(5,0)。然后将这个区域离散化为25个1×1 m的方格，最后选取10个未知节点对其进行坐标计算。

根据海面无线信道衰减理论，设α(1.9≤α≤2.1)，则普通质心算法、RSSI算法及改进后的RSSI稳定算法的比较如表2所示。

表2　三种算法定位误差及定位稳定性比较表

从表2可看出，质心算法的稳定性最高，但是其误差较大，RSSI算法正好相反，改进后RSSI稳定算法对于稳定性和平均误差都得到较大的提升。

图4给出了3种算法误差概率分布图。

图4　三种算法定位误差概率图Fig.4　The map of positioning error probability

4结语

本文重点研究了海面作战指挥系统中的无线传感网络定位技术，针对网络易受攻击的特点，提出了基于对称密码反攻击安全定位；同时研究了质心定位算法及RSSI算法利弊，改进了现有算法，提出了一种改进型RSSI传感网络稳定定位方法，通过实验证明其在定位稳定性及误差性能方面都能满足要求，有很高的实用性。

参考文献：

[1]AKYILDIZ I F,SANKARASUBRAMANIAM W S Y,CAYIRCI E.Wireless sensor networks: a survey[J].Computer Networks,2002,38(4):393-422.

[2]井小沛,汪厚祥.舰艇作战系统信息模型研究[J].舰船科学技术,2011,33(9):106-108.

JING Xiao-pei,WANG Hou-xiang.Research on the information model for combat systems of warship[J].Ship Science and Technology,2011,33(9):106-108.

[3]李恺,丛蓉.舰载作战系统体系结构优化研究[J].舰船科学技术,2004,26(4)：40-43.

LI Kai,CONG Rong.The optimization about network structure of ship combat system[J].Ship science and Technology,2004,26(4)：40-43.

[4]AKYILDIZ I F,ANKARASUBRAMANIAM W S Y,CAYIRCI E.A survey on sensor networks[C]//IEEE Communications Magazine,2002,40(8):102-114.

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

作者简介：葛君山(1965-)，男，副教授，研究方向为电气自动化技术。

基金项目：中国交通教育研究会交教研课题资助项目(1402-233)；2014-2016年度教育科学研究课题资助项目

收稿日期：2014-08-19； 修回日期： 2014-12-03

文章编号：1672-7649(2015)02-0184-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.041

中图分类号：TP212

文献标识码：A