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随着无线传感器及网络技术的飞速发展,其应用也越来越广泛。在无线传感器网络(WSN)的很多应用中,无线传感器节点收集的数据必须与收集数据的位置信息绑定才具有意义。此外,网络配置的拓扑结构、网络覆盖和位置信息的实时统计数据,以及协助路由功能等都需要节点的位置坐标提供基础支撑。因此,作为无线传感器网络的关键技术,节点定位成为基础性研究的一部分,是国内外无线传感器网络领域研究的热点。在实际应用中,节点安全直接影响到定位信息的有效性,安全策略的设计也是无线传感器网络节点定位的一个重要挑战。 本文分析了无线传感器网络节点定位技术研究的现状,以提高节点定位的性能为最终目的,提出一套使用最少锚节点、取得较好定位效果、并达到一定安全要求的安全定位方案。本文提出了一种以移动锚节点为基准对未知节点进行定位的方法,并根据不同的应用场景和需求,建立了基于移动锚节点的周期定位和实时定位两种安全定位模型。在定位模型中,根据对节点定位的精度和能耗之间的平衡进行考虑,确定节点的最佳覆盖次数,对采集点坐标进行部署,并对移动锚节点移动轨迹进行最优规划。通过数据集中管理设计以及路由算法提出,实现了对WSN节点的高精度、高定位成功率以及低功耗的周期和实时定位。在定位计算方面,针对目前常用的接收信号强度(RSSI)测距技术,采用引入距离相关的影响因子的最大似然估计定位方法,建立数学模型,并通过优化模型最优解的方式,提出了高精度的二维搜索定法,以及高效率的基于梯度下降的粒子群优化定位法。在整个定位方案实现过程中,针对不同的攻击方式和类型,设计安全定位策略,提出了一种基于信誉度评价机制的安全定位方法。 本文主要研究工作和创新性成果如下: (1)提出了基于移动锚节点的周期定位模型MAN-CL。 该模型通过使用移动锚节点对节点进行周期性位置坐标进行计算,能够提高位置坐标的精确度、降低节点在计算过程和通信过程中的能量消耗,实现了对整个传感器网络节点的位置更新与简易检测。MAN-CL通过对节点覆盖次数与定位方法的分析,使用正三角形覆盖法对采集点坐标进行部署,并根据采集点的分布特点对移动参考点的移动路径进行最优规划。在使用中心管理的数据处理方法中,每完成一个定位周期,移动锚节点对未知节点的位置数据进行存储和处理。针对各种不同的网络攻击,提出了相应的安全策略,提高了定位模型的安全性和稳定性。 (2)提出了距离相关的最大似然估计定位方法DR-MLE。 在周期定位模型对未知节点进行坐标信息进行计算时,需要通过三边定位法对未知节点坐标进行计算,为了进一步提高位置计算的精确度,在对WSN经典的测距相关的定位算法进行相关研究分析基础上,提出了一种距离相关的最大似然估计定位法。在定位过程中,以传统的多边测距定位方法为基础,加入与距离相关的影响因子来模拟测距误差的影响,使用最大似然估计法建立数学模型,并通过二维搜索法来对模型的最优解进行优化,提高了位置坐标值的准确性。针对算法运算速率,提出了快速的基于投影的梯度下降粒子群优化法(GD-PSM),在提高定位精度的同时,提高了定位的效率。 (3)提出了无线传感器网络的实时安全定位模型RTLM。 在一个定位周期范围内,当需要即时获得某些未知节点的坐标信息时,未知节点并不能确保处于移动锚节点的覆盖范围之内,这就需要采取其他的方法对节点的实时坐标进行分析计算。以基于中心管理的数据处理模型为基础,通过对锚节点存储的未知节点历史位置数据的分析处理,并根据对实时定位精度的要求,提出了基于历史数据分析的实时定位法(HDA-RTL)和基于历史数据建模的实时定位法(HDM-RTL)。在HAD-RTL中,针对数据分析结果的多样性,采取了三种不同方式的对未知节点坐标进行计算:基于节点自定位的实时定位法(SL-RTL)、基于邻居节点位置分析的实时定位法(NPA-RTL)和基于移动锚节点的实时定位法(MAN-RTL)。在HDM-RTL中,基于各节点的历史数据集合特征,通过数学建模方式,提出三种定位方法:基于历史位置信息的实时定位法(HPI-RTL)、基于邻居节点位置信息的实时定位法(NPI-RTL)和综合历史信息和邻居节点的实时定位法(HINI-RTL)。此外,针对实时定位中存在的安全问题,提出相应的安全解决方案。 (4)基于信誉度评价机制的安全定位方法RESL。 在采用移动锚节点作为信标节点的定位系统中,所有未知节点的位置坐标计算都依赖于移动锚节点。因此,移动锚节点的可靠性和安全性对于未知节点的位置坐标计算至关重要。针对移动锚节点易受攻击、易被俘获而成为恶意节点的问题,提出了基于信誉度评价机制的安全定位策略。通过分析锚节点行为,建立数学模型,对锚节点的可信程度进行量化和更新,得到锚节点的信誉度的量化值,即信誉值,并通过信誉值的大小来鉴别锚节点提供的信息是否值得信赖。此定位方法适用于不同规模及类型的网络,当有节点加入、退出网络时,区域内未知节点的定位性能保持稳定,能够抵御使用移动锚节点作为信标节点进行定位时的内部攻击,提高了定位精确度。