（通信与信息系统专业论文）无线网络定位技术与定位验证系统应用研究.pdf

原。创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：室进薹日期：丝2 2 ：。己之匕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：垂亟鱼夔导师签 山东大学硕士学位论文 中文摘要 目录 i i a b s t r a c t 符号说明 第一章绪论 l 1 1 无线网络定位技术与定位验证的研究背景及意义1 1 1 1 定位技术的研究背景及意义l 1 1 2 定位验证技术的背景及意义3 1 2 无线网络定位技术与定位验证的研究现状5 1 2 1 定位技术的研究现状5 1 2 2 定位验证技术的研究现状6 1 3 本文选题依据8 1 4 创新点及论文结构。9 第二章定位误差与估测区域面积之间的关系 1 1 2 1 无线网络定位1 1 2 2 定位误差1 1 2 2 1 定位误差的定义1 l 2 2 。2 定位误差的影响因素1 2 2 2 3 定位误差的局限性1 3 2 3 估测定位区域1 3 2 3 1 估测定位区域的定义1 3 2 3 2 估测定位区域面积与定位误差的关系1 5 2 3 3 仿真验证2 1 2 4 估测定位区域的应用。2 7 2 4 1 改进定位算法2 7 2 4 2 检测定位算法的性能2 7 2 4 3 调控定位系统2 8 山东大学硕士学位论文 2 4 小结2 9 第三章基于估测定位区域面积的定位算法 3 1r s s 测距模型3 0 3 2 基于估测区域的定位算法3 1 3 2 1 基本的定位算法3 1 3 2 2 基于估测定位区域的定位算法。3 3 3 2 3 基于估测定位区域的定位算法流程3 6 3 3 实验仿真与性能分析3 7 3 3 1 仿真环境3 7 3 3 2 定位算法改进前后性能对比分析3 8 3 4 小结3 9 第四章无线网络定位验证系统。 4 1 定位验证系统概述4 0 4 2 定位验证系统的评价标准4 1 4 2 1 误警率与检测率- 4 1 4 2 2r o c 曲线4 2 4 3 判决门限4 3 4 3 1 基于欧氏距离的判决门限4 3 4 3 2 基于马氏距离的判决门限4 4 4 3 3 两种判决门限的对比分析4 8 4 4 小结4 9 第五章基于r s s 定位验证系统的判决标准 5 1 系统模型5 l 5 1 1r s s 测量模型5 1 5 1 2 攻击模型一5 3 5 2 定位验证系统评价参数5 4 5 2 1 误警率5 5 5 2 2 检测率5 6 5 3 优化判决门限5 8 山东大学硕士学位论文 5 4 仿真验证与性能分析5 9 5 4 1 仿真环境5 9 5 4 - 2 估测位置的分布概率6 0 5 4 - 3 定位验证系统仿真分析6 1 5 5 小结6 3 第六章总结与展望 参考文献 致谢 6 4 6 5 7 1 攻读学位期间发表的学术论文及参与项目目录7 2 山东大学硕士学位论文 c h i n e s ea b s t r a c t e n g l i s ha b s t r a c t s y m b o ld e s c r i p t i o n c o n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n i 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e l 1 1 1l o c a l i z a t i o nt e c h n i q u e si nw i r e l e s sn e t w o r k s 1 1 1 2l o c a t i o nv e r i f i c a t i o ni nw i r e l e s sn e t w o r k s 3 1 2c u r r e n ts t a t u s 5 1 2 1c u r r e n ts t a t u so f l o c a l i z a t i o nt e c h n i q u e s 5 1 2 2c u r r e n ts t a t u so fl o c a t i o n1 v 舐f i c a t i o n 6 1 3s e l e c t e dt o p i cb a s i s 8 1 4i n n o v a t i o na n ds t r u c t u r eo ft h e s i s 9 c h a p t e r 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o c a l i z a t i o ne r r o ra n de s t i m a t e dr e g i o n 1 1 2 1l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mi ng r t r e l e s sn e t w o r k s 。1 1 2 2l o c a l i z a t i o ne r r o r 11 2 2 1d e f i n i t i o no fl o c a l i z a t i o ne r r o r 11 2 2 2i n f l u e n c i n gf a c t o ro f l o c a l i z a t i o ne r r o r 1 2 2 2 3l i m i t a t i o no f l o c a l i z a t i o ne r r o r 1 3 2 3e s t i m a t e dr e g i o n 1 3 2 3 1d e f i n i t i o no f e s t i m a t e dr e g i o n 1 3 2 - 3 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o c a l i z a t i o ne r r o ra n de s t i m a t e dr e g i o n 15 2 3 3s i m u l a t i o nr e s u l t 2 1 2 4a p p l i c a t i o n so f e s t i m a t e dr e g i o n 2 7 2 4 1i m p r o v i n gl o c a l i z a t i o na c c u r a c y 2 7 2 4 2m o n i t o r i n gl o c a l i z a t i o ns y s t e m 2 7 2 4 3a d j u s t i n gl o c a l i z a t i o ns y s t e m 2 8 2 4s u m m a r y 2 9 c h a p t e r3l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ne s t i m a t e dr e g i o n 3 0 3 1r s s b a s e do b s e r v a t i o nm o d e l 3 0 3 2l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ne s t i m a t e dr e g i o n 31 山东大学硕士学位论文 3 2 1b i s i cl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m 31 3 2 2l o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do ne s t i m a t e dr e g i o n 3 3 3 2 3p r o c e s so f p r o p o s e dl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m 3 6 3 3s i m u l a t i o na n dp d f f o r m a n c ea n a l y s i s 3 7 3 3 1s i m u l a t i o ns e t - u p 3 7 3 3 2p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 3 8 3 4s u m m a r y ：；9 c h a p t e r4l o c a t i o nv e r i f i c a t i o ns y s t e mi nw i r e l e s sn e t w o r k s 4 1l o c a t i o n v e r i f i c a t i o ns y s t e m z i ( ) 4 2e v a l u a t i o nm e t r i c so fl o c a t i o nv e r i f i c a t i o ns y s t e m 4 1 4 2 1f a j p o s i t i v ea n dd e t e c t i o nr a t e s 4 l 4 2 2r o cc u r v e 4 2 4 3t h r e s h o l d 4 3 4 3 1t h r e s h o l db a s c do l ie u c l i d e a nd i s t a n c e 4 3 t 4 3 2t h r e s h o l db a s c do nm a h a l a n o b i sd i s t a n c e 事4 4 3 3c o m p a r a t i o no f t w ot h r e s h o l d s 。1 8 4 4s u m m a r y 4 9 c h a p t e r5t h r e s h o l do fr s s - b a s e dl o c a t i o nv e r i f i c a t i o ns y s t e m 5 1s y s t e mm o d e l 51 5 1 1r s so b s e r v a t i o nm o d e l 51 5 1 2t h r e a tm o d e l ! ；：； 5 2d e t a i l e de v a l u a t i o nm e t r i c s ! ；l 5 2 1f a l s ep o s i t i v er a t e 5 5 5 2 2d e t e c t i o nr a t e 5 6 5 3o p t i m i z a t i o no f t h r e s h o l d ! ；8 5 4s i m u l a t o na n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i s 5 9 5 4 1s i m u l a t i o ns e t - u p 5 9 5 4 2p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no f e s t i m a t e dp o s i t i o n s 6 0 5 4 3s i m u l a t i o nr e s u l t 61 5 5s u m m a r y 6 ：i c h a p t e r6c o n c l u s i o n sa n df u t u r ew o r k r e f e r e n c e s v a c k n o w l e d g e m e n t s 山东大学硕士学位论文 p a p e r sa n dp r o j e c tc a t a l o gd u r i n gd e g r e es t u d y i n g 。7 2 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着无线网络定位技术的不断成熟与完善，基于位置信息的服务和应用也在 不断拓展和深化，这对定位系统的稳定性、可靠性和安全性提出了较高的要求。 为确保定位系统的稳定性，我们需要时时监测定位系统的性能，而传统意义上的 定位误差仅能在仿真中用来评价定位算法的性能，由于其依赖用户的真实位置而 无法在实际环境中用来监测定位系统的稳定性。因此我们面临如何在实际应用中 评价和监测定位系统的难题。本文提出了估测定位区域面积的概念，为解决上述 问题提供了一种方法。与定位误差不同，很多实际应用的定位系统中在给出用户 估测位置的同时可以计算出估测定位区域的面积。本文首先从理论上推导出了估 测定位区域面积与定位误差的关系并通过蒙特卡罗仿真验证了理论推导的正确 性，论证了估测定位区域面积可以在实际环境中被用来评定和监测定位系统性能 的可行性。随后本文提出了一种基于估测定位区域面积的定位算法，并通过仿真 验证了其性能较原始定位算法的优越性。 由于无线网络定位系统的开放性，例如民用g p s 定位系统向全民开放，传统的 加密技术不能确保位置信息的可靠性和安全性，而定位验证技术由于其利用了无 线信道的物理特性可以弥补加密技术的不足。本文首先提出了一种在无线网络定 位验证系统中基于马氏距离来设置判决门限的方法，该方法是用f i s h e 瞄息矩阵的 逆矩阵作为方差矩阵计算估测位置的马氏距离，最大程度地模拟了定位系统中的 实际情形，并对比分析了它较基于欧氏距离判决门限的优越性。随后提出了一种 基于接收信号功率的攻击模型，并在此模型下从理论上推导出了定位验证系统的 误警率和检测率与判决门限的函数关系式，为最优化判决门限提供了基础。之后 提出了一种通过最小化判错率( 误警率与漏检率的和) 来最优化判决门限的方案。 最后使用m l e 定位算法在仿真中模拟了实际环境下的定位验证系统，仿真结果与 理论分析的一致性论证了我们理论分析工作的正确性与合理性。 关键词：无线网络；定位算法；估测定位区域；定位验证；判决门限 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sl o c a t i o n - b a s e d a p p l i c a t i o n s a n ds e r v i c e sb e c o m eu b i q u i t o u si ne m e r g i n g w i r e l e s sn e t w o r k s ，t h es t a b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fal o c a l i z a t i o ns y s t e ma r eo f g r o w i n gi m p o r t a n c e h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a ll o c a l i z a t i o ne r r o ru s e dt oe v a l u a t ea l o c a l i z a t i o ns y s t e mc a n n o tb eu t i l i z e dt om o n i t o rt h es y s t e mi np r a c t i c e ，s i n c ei ti s d e p e n d e n to nt h ek n o w l e d g eo ft h en s e r st r u ep o s i t i o n i nt h i st h e s i s ，t h ee s t i m a t e d r e g i o n , w h i c hi st h ea r e aw h e r eat a r g e tn o d er e s i d e sw i t hu t m o s tp r o b a b i l i t ys p e c i f i e d b yt h ec o r r e s p o n d i n gl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m ，i sp r o p o s e dt or e s o l v et h ea b o v ep r o b l e m s f i r s t l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee s t i m a t e dr e g i o na n dt h el o c a l i z a t i o ne r r o ri s d e r i v e di nt h e o r ya n dt h e nv e r i f i e dt h r o u g hm o n t ec a r l os i m u l a t i o n s t h el o c a l i z a t i o n e r r o ri sp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r er o o to ft h ee s t i m a t e dr e g i o n sa r e a t h e n ，t h et h e s i s p r e s e n t e dal o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ee s t i m a t e dr e g i o na n da n a l y z e s i t s p e r f o r m a n c eb yc o m p a r i n gi t 埘m t h eo r i g i n a ll o c a l i z a t i o na l g o r i t h m t h et r a d i t i o n a la p p r o a c ht oa d d r e s sr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yi st oa p p l yc r y p t o g r a p h i c a u t h e n t i c a t i o n h o w e v e r , t h ec r y p t o g r a p h i ca u t h e n t i c a t i o ni sn o ta b l et og u a r a n t e et h e s e c u r i t yd u et ot h eo p e n n e s so ft h el o c a l i z a t i o ns y s t e m ，a n dc a n n o tp r e v e n ti n s i d e a t t a c k s o nt h eo t h e rh a n d ，t h el o c a t i o nv e r i f i c a t i o ns y s t e m ( l v s ) u t i l i z e st h ep h y s i c a l l a y e ri n f o r m a t i o n , m a k i n gi tm u c hh a r d e rt of o r g e ，a n dc a n b eu s e dt od i f f e r e n t i a t eu s e r s s i n c et h eo u t p u ti sb i n a r y , t h et h r e s h o l do fal o c a t i o nv e r i f i c a t i o ns y s t e md e t e r m i n e si t s p e r f o r m a n c e t h i s t h e s i sp r o p o s e sat h r e s h o l db a s e do nt h es q u a r e dm a h a l a n o b i s d i s t a n c e a f t e rp r e s e n t i n gat h r e a tm o d e l ，t h i st h e s i sd e r i v e st h et h e o r e t i c a lf a l s ep o s i t i v e a n dd e t e c t i o nr a t e s ，a n do p t i m i z e st h et h r e s h o l db ym i n i m i z i n gt h es u mo ff a l s ep o s i t i v e a n df a l s e n e g a t i v er a t e s f i n a l l y , t h e d e t a i l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sv e r i f yt h e l e g i t i m a c yo fo u ra n a l y t i c a lf r a m e w o r kp r o p o s e di nt h i st h e s i s k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k s ；l o c a l i z a t i o n ；e s t i m a t e dr e g i o n ；l o c a t i o nv e r i f i c a t i o n ； t h r e s h o l d 山东大学硕士学位论文 g p s l p s w s n v a n e t l v s l b s t o a t d o a d o a r s s m l e c r l b r o c 符号说明 g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m l o c a lp o s i t i o n i n gs y s t e m w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k v e h i c u l a ra d h o cn e t w o r k l o c a t i o nv e r i f i c a t i o ns y s t e m l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e s t i m eo fa r r i v a l 正m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l d i r e c t i o no fa r r i v a l r e c e i v es i g n a ls t r e n g t h m a x i m u ml i k e l i h o o de s t i m a t i o n c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d r e c e i v e ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c g i s g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 全球定位系统 本地定位系统 无线传感网络 车载自组网 定位验证系统 基于位置的服务 到达时间 到达时间差 到达角度 接收信号强度 极大似然估计 c r a m e r - r a o 下界 工作特征曲线 地理信息系统 m 山东大学硕士学位论文 i v 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 无线网络定位技术与定位验证的研究背景及意义 1 1 1 定位技术的研究背景及意义 随着微电子技术的快速发展，无线网络技术也得到了迅猛的发展，涌现出了 不同种类的无线网络，如无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n s ) 、车 载自组网( v e h i c u l a ra d - h o cn e t w o r k s ，v a n e t s ) 等。无线网络技术的应用范围 也在不断扩大，从军事上的目标跟踪，到环境的智能检测，再到车辆及个人的定 位导航与跟踪，以及各种自动收费系统。它的很多应用都依赖于网络节点的位置 信息，这一类应用已经发展成为无线网络应用的一个大类，我们称之为基于位置 信息的应用( l o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e s ，l b s ) 1 1 1 2 1 1 3 1 。在不同领域中对l b s 的定义 会有所差别，但是每一种定义都离不开对位置信息的依赖，这也是l b s 命名的原因， 它是一种集信息通信技术、因特网技术与地理信息系统( g i s ) 于一体的应用f 4 1 【5 j 。 依据l b s 的应用环境及目的，我们可以将其概括为以下几种： 1 ，目标定位跟踪与导航：这一类应用中对位置信息的依赖是最直接，例如现 在应用最广泛的车辆定位跟踪与导航、利用蜂窝网络中的移动终端定位技术实现 人员定位，以及近年来刚刚应用到实际中的包裹跟踪与定位。这一类应用为用户 提供便利的同时，也节约了很多社会资源，例如车载自组网可以解决日益严峻的 交通拥堵现象，从而减少能源浪费，提高道路利用率，甚至可以降低交通事故的 发生率： 2 ，紧急救援：定位技术在紧急救援中的应用是指在紧急情况下定位技术可以 为寻找与营救被困人员提供技术支持，例如在地震后被困人员的搜救过程中，蜂 窝网络的定位技术可以发挥极其重要的作用，这一点收到了很多国家的重视，也 是促进定位技术发展的一个主要原因。如美国联邦通信委员会于1 9 9 6 年提出了对 蜂窝网络定位精度的要求 6 1 ，后来类似的标准被欧洲等国家所采用； 3 ，商业应用：与上述两种应用不同，定位技术在商业领域的应用主要是为商 家提供有效的管理技术，同时为客户提供更完善的服务。例如，高速公路及其他 山东大学硕士学位论文 路桥系统的不停车收费技术在为客户提供便利( 不停车) 的同时，有效的减小了 管理成本( 节约了雇佣工人的成本) 。基于位置的推送式广告系统是目前一个比 较热门的l b s 服务，它将与客户的位置信息相匹配的广告发送给顾客，例如当顾客 进入商家所在的街道时系统把该商家的打折信息发送给客户，基于位置信息的推 送式广告系统一方面提高了广告的有效性，同时节约了商家的广告成本。l b s 在商 业领域的应用还包括基于客户位置信息所提供的便利式服务，例如为客户提供距 离最近的a t m 取款机或加油站的位置。 除了以上应用，位置信息在无线传感器网络的数据收集中起到了标记指示的 作用。正是l b s 的不断拓展促使了无线网络定位技术的不断发展。应用范围最广的 无线网络定位技术是全球定位系统( g p s ) 7 1 ，因此上述l b s 中包括g p s 的应用， 但是g p s 定位精度受到很多环境因素的影响，例如室内条件或高楼林立的城市环境 下g p s 的定位精度很低，甚至无法定位，因此本地无线网络定位技术的发展也是对 g p s 定位技术的一个补充。本论文主要研究本地无线网络定位技术，又称本地定位 系统( l o c a lp o s i t i o n i n gs y s t e m , l p s ) ，即除了g p s 之外的应用到无线网络中的定 位技术。无线网络定位技术除了具有上述应用外，在无线网络本身的管理和优化 中也起到了重要的作用，主要包括但不限于以下三种： l ，功率控制：定位技术在功率控制中的应用是指，基站可以根据用户的位置 调整发射功率和天线方向【蚋。例如，为避免蜂窝网络中的乒乓通信问题，提高通信 质量，当用户达到蜂窝网络的小区边缘时基站可以适当增大其发射功率来保证切 换的顺利进行。另外，在无线网络通信系统中当用户都位于基站的某一个特定方 向时，基站可以通过调节发射天线的参数增大某一个方向的波束从而达到节省能 量的目的； 2 ，路由选择：目前无线网络中多数的路由协议都是基于连通度的，由于这类 协议依赖网络的结构并且其更新时间较长，因此不适合结构变化较快的无线网络， 如车载自组网。而基于位置信息的路由协议在结构变化较快的无线网络中发挥出 了其优势，由于该协议仅使用节点的位置信息，因此节点仅存储距离自已较近的 邻居节点的信息，因此路由更新速度较快【9 1 【10 】【1 1 】； 3 ，频谱管理与应用：目前研究比较热门的认知无线电中对频谱的管理与应用 2 山东大学硕士学位论文 同样依赖网络用户的位置信息，因此，无线网络定位技术也是认知无线电系统的 组成部分之一【1 2 1 。 综合以上分析，无线网络定位技术不仅在无线网络的应用中发挥着重要的作 用，而且在无线网络本身的管理及优化中起到了不可忽视的作用，因此无线网络 定位技术方面的研究具有深远的意义。 1 1 2 定位验证技术的背景及意义 无线网络定位验证是随着对位置信息应用的不断深化而发展起来的一项确保 位置信息安全与可靠的技术。这项技术在近年来才被提出【1 3 】【1 4 1 ，原因在于早期的 无线网络定位技术是为军事应用而研发的，例如雷达定位系统、g p s 定位系统等， 都源自于军事应用，这些定位系统大都采用军事加密技术，这在一定程度上保证 了定位系统的安全性和可靠性【1 5 1 。但是随着无线网络技术应用的不断拓展，定位 系统也逐渐发展成为一个开放式的系统，例如初期的g p s 系统已被划分为军事g p s 与民用g p s 两个系统，其中民用g p s 已经被应用到多个领域，从车辆定位导航、机 载定位导航，到人员搜救，并且民用g p s 是一个全开放式的系统。 近年来已有研究人员提出，民用g p s 是可以被非法用户攻击和篡改的【1 6 l 【l 那司， 即非法用户通过提供虚假的卫星信号，使g p s 终端得到一个被篡改的位置，而且随 着无线电技术的发展，这种攻击的代价在逐渐降低，因此在无线网络中用户位置 信息的安全性和可靠性逐渐受到了重视。解决安全性和可靠性问题的传统方法是 通过加密技术实现对非法用户的隔离，但是在开放式的定位系统中( 如民用g p s ) 使用加密技术是没有意义的，因为非法用户可以很容易得到相应的密钥。另外， 由于g p s 系统是一个自定位系统，即只有用户本身可以得到自己的位置信息，因此 当用户将自己的位置报告给系统后，系统才能使用这些位置信息，例如前面提到 的基于位置信息的路由算法。而用户在报告自己位置时，可以很简单的将自己的 位置更改，从而破坏系统的性能。因此，用户位置信息的安全性和可靠性在无线 网络的很多应用中逐渐受到关注。 除了民用g p s 系统受到安全因素的影响外，本地无线网络中用户位置信息的安 全性和可靠性也逐渐得到了重视，因为目前位置信息在很多应用中的地位已经从 协作因素逐渐变为主导因素。例如，基于位置信息的访问控制机制中【1 9 j 1 2 0 1 ，系统 3 山东大学硕士学位论文 是否允许用户访问或接入该网络将完全依赖于用户的位置，因此浚系统对用户位 置信息的安全性和可靠性具有较高的要求，一旦用户位置信息被攻击或篡改，该 方法即会失效。而且由于在多数无线网络定位系统中，我们需要用户的配合来完 成定位，例如在使用接受信号强度作为测量数据的定位算法中系统要求所有用户 使用相同的发射功率( 由定位系统设定) ，因此非法用户很容易扰乱定位系统。 使用加密技术可以有效的阻止网络外非法用户的入侵，例如，在合法用户将 自己的g p s 位置信息报告给网络系统时，为防止其他用户更改自己的位置，可以使 用加密技术将自己的位置信息加密后再发送。但是该方法却无法阻止网络内非法 用户对位置信息的更改，例如该用户本身可以更改自己的位置信息。而且在加密 技术中，密钥一旦被破解，整个算法将完全失效。为弥补加密技术的缺陷，近年 来很多研究者开始利用无线信道的物理特性来提高信息的安全性和可靠性1 2 1 。定 位验证技术j 下是其中的一种。图1 1 是定位验证技术在车载自组网( v a n e t s ) 1 2 2 1 1 2 3 1 协作驾驶中的一个简单应用，我们通过它简要说明定位验证技术的作用和意义。 丰 痧 丰 图1 - 1 定位验证技术在v a n e t s 中的简单应用 图1 - 1 中，车辆a ( c a r a ) 所在的道路为主路，车速较快，因此按照协作驾驶 的规定，如果车辆a 已经到达或距离车辆a 所在位茕较近时，车辆b ( c a r b ) 应该 停车让行，因为车辆b 所在的道路为辅路。由于它们之问有障碍物阻挡，彼此的位置 信息只能通过v a n e t s ( 基站1 与基站2 ，即图中b s i 与b s 2 ) 交换，即每个车辆将 一一遵 庐。 山东大学硕士学位论文 自己的位置信息报告为v a n e t s 系统，系统再将它们的位置信息广播给每个车辆。 如果车辆a 出于自私的目的，为确保自己的道路通畅，在它未到达车辆a 所在位置 前将自己的位置信息篡改为车辆a 的位置并报告给系统，这将导致车辆b 等待较长 的时间，甚至会导致车辆a 与车辆b 相撞，因为车辆b 在等待一段时间后会误以为 没有车辆驶来而继续行驶。因此确保车辆位置信息的安全性和可靠性在网线网络 的很多应用中是至关重要的，由于车辆a 在系统内部，因此加密技术无法解决上述 问题。而车辆a 在将自己的位置信息更改后并发送给两个基站( b s l 与b s 2 ) 时， 基站会发现接受信号的异常 2 4 1 ，因为两个基站从车辆a 和车辆a 接收到的信号是不 同的，即便车辆a 在篡改自己位置的同时更改自己的发射功率，基站接收到的信号 依然会有所不同。因此，基站可以使用接收到的信号去验证车辆a 报告的位置是否 正确，从而确保整个网络的正常运行。 从以上分析可知，随着无线网络定位技术及其应用的不断发展，用户位置信 息的安全性和可靠性逐渐得到重视，而定位验证正是在这种趋势下发展起来的提 高位置信息安全性和可靠行的技术，它也为基于位置信息的不断深化发展提供了 基础。并且，由于定位验证技术应用的是信道的物理特性，因此它具有优于加密 技术的很多优势。 1 2 无线网络定位技术与定位验证的研究现状 1 2 1 无线网络定位技术的研究现状 在无线网络定位系统中，我们一般使用锚节点( 位置已知的网络节点或基站) 所得到的测量数据去计算待定位节点的位置。定位系统所使用的测量数据一般包 括达到时间( t o a ) 、到达时间差值( t d o a ) 、到达角度( d o a ) 以及接受信 号功率( r s s ) 。之后依据各种不同的测量模型将测量数据转换为估测距离，然后 采用不同的算法估测待定位节点的位置。其中，使用t o a 作为测量数据时需要系 统各个网络节点时间精确同步【2 5 1 ，因此它逐渐被t d o a 所取代，这也是在g p s 系统 中需要至少4 颗卫星来定位一个用户在三维立体系统中位置的原因。与t o a 、t d o a 相同，在使用d o a 作为测量数据的系统中需要网络用户安装特定的硬件来获取这 些测量数据1 2 6 ，因此系统的造价会有所提高，相应的使用这些测量数据所得到的 5 山东大学硕士学位论文 定位精度较高。与t o a 、t d o a 、d o a 不同，在使用r s s 作为测量数据的系统中不 需要用户安装额外的硬件设备，因此在对定位精度要求不高的系统中，r s s 成为首 选的测量数据。t o a 、t d o a 、d 删节点间的视距要求较高【2 8 1 【2 9 】，即要求节点 之际没有障碍物，而r s s 对此要求不高，当节点间不存在视距时，基于r s s 的测量 模型仍然适用，仅仅是信道参数有所改变。另外，在使用出r s s 之外的测量数据时， 系统对用户的协作能力要求较高，即定位精度依赖的用户的配合，其安全性与可 靠性较低，而r s s 对用户的协作性要求相对较少。因此，在本论文的定位算法及定 位验证算法中均采用r s s 作为测量数据。 近年来随着无线网络定位技术的不断成熟，很多定位算法的精度都达到了理 论值，即达到了c r a m c r - r a o 下界( c r l b ) 所给出的最佳性能1 3 0 j 。例如基于t o a 的 最大似然函数定位算法( m l e ) 在已知