黎慧

1 桂林航天工業(yè)學院 計算機科學與工程系，廣西 桂林 541004；2 桂林航天工業(yè)學院 實踐教學部，廣西 桂林541004

空間陰影相關(guān)無線網(wǎng)絡(luò)中基于RSS和DRSS的LVS性能分析*

黎慧*

1 桂林航天工業(yè)學院 計算機科學與工程系，廣西 桂林 541004；2 桂林航天工業(yè)學院 實踐教學部，廣西 桂林541004

研究無線網(wǎng)絡(luò)中空間陰影相關(guān)及信號強度對LVS性能的影響。鑒于現(xiàn)有的LVS缺少對空間陰影相關(guān)性的完整的系統(tǒng)解決方案，結(jié)合基于RSS定位系統(tǒng)的陰影相關(guān)性，依據(jù)空間陰影對LVS的影響及信息搜集、分析，并加強LVS的準確性管理，研究無線網(wǎng)絡(luò)中基于RSS的LVS位置驗證方案。在信息收集過程中，采用RSS獲取數(shù)據(jù)并且有機融合空間陰影相關(guān)因子，推導LVS的決策規(guī)則、基于RSS和DRSS的LVS的虛警率和檢測率的表達式。通過仿真實驗證明，基于RSS的LVS和基于DRSS的LVS方案具有高的檢測率和低的虛警率，在合適陰影相關(guān)情況下，檢測率和虛警率可達最佳匹配，從而有效地減少惡意節(jié)點的破壞，提高無線網(wǎng)絡(luò)中位置安全服務(wù)的整體性能。

位置驗證系統(tǒng)；決策規(guī)則；信號強度；空間陰影相關(guān)；虛警率；檢測率

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，基于位置服務(wù)受到廣泛關(guān)注[1-11]。近期，位置驗證成為研究人員關(guān)注的焦點。在無線網(wǎng)絡(luò)中，基于位置的服務(wù)容易受到位置欺騙的攻擊[6-10]。位置驗證系統(tǒng) (Location Verification System, LVS)試圖阻擊位置欺騙攻擊。

在LVS中，通過一些測量信息(輸入信息)，驗證節(jié)點宣稱的位置的正確性，進而指明該節(jié)點是良性節(jié)點還是惡意節(jié)點。通常，LVS系統(tǒng)以獲取高的檢測率和低的虛警率為性能指標。檢測率是針對惡意節(jié)點而言，指發(fā)掘惡意節(jié)點的能力。虛警率是針對良性節(jié)點而言，指良性節(jié)點不被誤判為惡意節(jié)點的能力。

在獲取測量信息時，可采用多種方案，如基于信號強度(Received Signal Strength, RSS)、到達時間、到達時間差等。本文選用基于RSS測量。主要原因在于：采用RSS測量，無需額外設(shè)備、避免了發(fā)射與接收端的同步要求，降低系統(tǒng)的復(fù)雜性以及成本。

在基于RSS測量系統(tǒng)中，陰影是一個最有影響力，但又不容忽視的因素。現(xiàn)有的基于RSS定位系統(tǒng)和基于RSS的LVS方案僅簡單地假定在兩個不同位置的相互獨立，不具有相關(guān)性。然而，實驗數(shù)據(jù)表明：在多數(shù)場景中，不同位置的陰影具有極大的相關(guān)性。盡管已有文獻分析了基于RSS定位系統(tǒng)的陰影相關(guān)性[12-13]，但是空間陰影相關(guān)性對基于RSS的LVS方案的影響并沒有相關(guān)文獻進行研究。

為此，本文以此為背景，研究基于RSS的LVS和基于信號強度差(Differential received signal strength, DRSS)的LVS位置驗證方案的性能。首先形式化了基于RSS的LVS的標識，并推導了虛警率和檢測率的表達式，分析了基于RSS的LVS和基于DRSS的LVS位置驗證方案在虛警率和檢測率兩方面的性能，并且研究了陰影相關(guān)性對LVS的影響。此外，對比了基于RSS的LVS和基于DRSS的LVS位置驗證方案性能。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)假設(shè)

(4)定義虛假設(shè)(Null hypothesis)，節(jié)點是良性的，表示為Η0；備擇假設(shè)(Alternative hypothesis)，節(jié)點是惡性節(jié)點，表示為Η1。因此，LVS的先驗知識可表示為：

(1)

1.2 基于Η0的測量模型

基于正態(tài)-對數(shù)傳播模型，第i個BS接收的來自良性節(jié)點的RSS值為ψi(dB)：

ψi=Ui+ni，i=1,2,…,N

(2)

其中，

(3)

在陰影相關(guān)性correlated shadowing下，ni與nj相關(guān)，且n=[n1,…,nN]T的N×N協(xié)方差矩陣表示為R。采用著名的spatially correlated shadowing模型[7-14]，矩陣R中的第i行第j列元素Rij為：

(4)

其中dij表示第i個BS與第j個BS間的歐式距離；Dc表示shadowing correlation的程度的參數(shù)，且為常數(shù)。從式(4)可知，dij的增加，降低ni與nj相關(guān)性Rij。當給定dij，Rij隨Dc增加而增加。

依據(jù)式(2)可知，在Η0條件下，N維觀察矢量Y=[Y1,…,YN]T服從多元正態(tài)分布(Multivariate normal distribution)，即：

Y|H0～N(U,R)

(5)

其中，U=[U1,…,UN]T為均值矢量。

1.3 攻擊模型

在實際環(huán)境中，惡意節(jié)點(攻擊者)宣布虛假的位置，離真實位置有一段距離。如圖1所示，攻擊者A不在高速公路上，宣稱自己在高速公路上。因此，在任何真實的攻擊模型中，假定惡意節(jié)點的真實位置離其宣稱的位置有一定的距離是合理的。為此，本文也采用這個假設(shè)，并假定惡意節(jié)點宣稱的位置離真實位置足夠遠，致使所有BSS所測量的RSS近似相等。

圖1 攻擊模型

第i個BS從惡意節(jié)點接收的RSS值Yi：

Yi=V+ni，i=1,2,…,N

(6)

其中

(7)

其中，ρij表示R-1的第i行第j列元素。

依據(jù)式(6)，在Η1條件下，N維觀察矢量Y服從多元正態(tài)分布：

Y|H1～N(V,R)

(8)

其中，V表示N×1個向量。

2 位置驗證算法

本節(jié)形式化描述基于RSS的LVS和基于DRSS的LVS位置驗證算法，同時，推導它們的虛警率和檢測率的閉合表達式。

2.1 檢測決策規(guī)則

LVS的目的就是依據(jù)輸入數(shù)據(jù)，驗證節(jié)點宣稱的位置，并做出二值決策(Binary decision)。如果節(jié)點宣稱的位置是對的，節(jié)點就屬于良性，否則就為惡意。因此，在LVS中，需采用二元決策規(guī)則。文獻[15]證實了在給定的虛警率條件下，似然比檢驗(Likelihood ratio test)能夠獲取高的檢測率。因此，本文采用Likelihood ratio test作為決策規(guī)則，如式(9)所示。

(9)

2.2 基于RSS的位置驗證

本小節(jié)，分析基于RSS的位置驗證中決策規(guī)則，并推導虛警率αR和檢測率βR的閉合表達式。

(10)

其中，λR是對應(yīng)Λ(Y)的門限。

對式(10)兩邊取對數(shù)，等式左邊：

logeΛ(Y)=

(11)

式(10)變換成：

令Τ(Y)為test statistic，如式(12)所示。

Τ(Y)=(V-U)TR-1Y

(12)

令ΓR表示對應(yīng)于Τ(Y)的門限值，如式(13)所示。

(13)

那么，基于RSS的LVS的決策規(guī)則：

(14)

接下來，推導基于RSS的LVS中虛警率αR和檢測率βR。虛警率αR是表示將良性節(jié)點誤判為惡意節(jié)點，即在H0條件下，Τ(Y)大于ΓR的概率，如式(15)所示。

(15)

而檢測率βR是表示檢測惡意節(jié)點的能力，即在H1條件下，Τ(Y)大于ΓR的概率如式(16)所示。

(16)

Τ(Y)在Η0、Η1條件下的分布如式(17)和(18)所示。

Τ(Y)|H0～

(17)

(18)

將式(17)和(18)分別代入式(15)和(16)可得到虛警率αR和檢測率βR的表達式，如式(19)和(20)所示。

(19)

(20)

2.3 基于DRSS的位置驗證

通常，基于N個RSS值能夠獲取N(N-1)/2個DRSS值，包含(N-1)個基礎(chǔ)DRSS值和(N-1)(N-1)/2個冗余DRSS值。這就意味著通過(N-1)個基礎(chǔ)DRSS值可推導(N-1)(N-1)/2個冗余DRSS值。換而言之，(N-1)個基礎(chǔ)DRSS包含嵌在(N-1)(N-1)/2個冗余DRSS值內(nèi)的所有信息。

為此，提出的基于DRSS位置驗證算法使用(N-1)個基礎(chǔ)DRSS值。將N個RSS中(N-1)個RSS減去第N個RSS，便可得到(N-1)個基礎(chǔ)DRSS值。因此，在H0的條件下，第m個DRSS值可描述為：

Zm=Em+Δnm，m=1,2,…,N-1

(N-1)個的DRSS的(N-1)×(N-1)方差矩陣Z=[Z1,…,ZN-1]T，并將Z描述為D。D中的第m行第n列元素Dmn如式(22)所示。

(22)

因此，Z服從multivariate正態(tài)分布，如式(23)所示。

(23)

類似地，在H1的條件下，第m個DRSS值可描述為：

Zm=Fm+Δnm

(24)

Z|H1～N(0,D)

(25)

(26)

對式(26)兩邊取對數(shù)，等式左邊：

(27)

式(26)便可形成：

其中，λD為Λ(Z)對應(yīng)的門限值。

令Τ(Z)為test statistic，如式(28)所示。

Τ(Z)=ETD-1Z

(28)

令ΓD為Τ(Z)的門限值，如式(29)所示。

ΓD=ETD-1E-ED-1ZT-logeλD

(29)

因此，基于DRSS的LVS的決策規(guī)則：

(30)

接下來，推導基于DRSS的LVS中虛警率αD和檢測率βD表達式。虛警率αD和檢測率βD的定義如式(31)、(32)所示。

(31)

(32)

Τ(Z)在Η0、Η1條件下的分布如式(33)、(34)所示。

(33)

(34)

將式(33)、(34)代入(31)、(32)便可得到式(35)、(36)

(35)

(36)

3 系統(tǒng)仿真

本節(jié)，通過數(shù)值仿真驗證spatially correlated shadowing對基于RSS的LVS和基于DRSS的LVS的位置驗證方案的虛警率和檢測率的影響，并比較基于RSS的LVS和基于DRSS的LVS兩方案的性能。

3.1 仿真模型

考慮200×200平方米的仿真區(qū)域，區(qū)域中心位置的坐標為(0,0)，區(qū)域有10個基站BS，即N=10，10個BS的位置坐標θ1=(22.3,45.5)、θ2=(37.9,-33.5)、θ3=(54.1,77.5)、θ4=(-13.8,93.1)、θ5=(-10.6,-50.2)、θ6=(-94.9,62.1)、θ7=(-28.7,41.6)、θ8=(47.2,37.3)、θ9=(-72.1,-18.5)、θ10=(-35.5,-96.4)，如圖2所示。惡意節(jié)點和良性節(jié)點能夠與基站進行通信。此外，路徑衰落指數(shù)γ=3、參考功率P0=-10dB，參考距離d0=1 m。

圖2 10個基站的分布結(jié)構(gòu)

3.2 仿真結(jié)果

圖3描述了基于RSS的LVS方案的虛警率αR和檢測率βR在Dc=100、Dc=10兩種環(huán)境下隨門限值λR的變化。圖中的虛警率αR和檢測率βR的理論曲線(Theoretic curves)通過式(15) 和(16)產(chǎn)生。圖中的虛警率αR和檢測率βR的仿真曲線(simulation curves)是通過式(14)的決策規(guī)則統(tǒng)計產(chǎn)生。從圖3可知，Monte Carlo仿真與理論推導結(jié)果相當匹配，完全重合，這證實了理論推導的正確性。此外，從圖3可知，在整個λR變化范圍([10-1,101])內(nèi)，基于RSS的LVS方案具高的檢測率和較低的虛警率，當λR大于1時，虛警率低至0.1。注意到，虛警率αR和檢測率βR隨λR的增加而下降，這表明虛警率αR與檢測率βR間的性能折中。

圖3 基于RSS的LVS

另外，從圖3可知，在Dc=100的環(huán)境下的檢測率在整個λR變化范圍([10-1,101])內(nèi)均優(yōu)于Dc=10，而虛警率在λR的較小范圍內(nèi)明顯優(yōu)于Dc=10，但隨著λR增加，優(yōu)勢縮小，最后劣于Dc=10。

圖4顯示了基于DRSS的LVS位置驗證方案。圖4可知，仿真結(jié)果與圖3類似，理論推導結(jié)果與實驗仿真相匹配，進一步驗證了基于DRSS的LVS中理論推導的正確性。

圖4 基于DRSS的LVS

圖5顯示了基于RSS和DRSS的LVS方案的檢測率(βR、βD)在Dc=100、10兩種情況下隨虛警率的變化情況。從圖5可知，在Dc=10環(huán)境下，βR和βD仿真曲線幾何重疊，兩者非常接近，在Dc=100環(huán)境下的βR、βD明顯優(yōu)于Dc=10的環(huán)境。此外，如預(yù)期的一樣，基于RSS的LVS方案的檢測率βR優(yōu)于基于DRSS的LVS方案的檢測率βD，并且優(yōu)勢隨Dc的增加而越發(fā)明顯。這主要是因為，基于RSS的LVS方案能夠利用惡意節(jié)點發(fā)射的不同功率作為額外識別因子，并且當Dc越大，基于RSS的LVS方案能夠獲取更多信息，從而提高決策的準確性。

圖5 基于RSS和DRSS的LVS方案的檢測率

上述仿真數(shù)據(jù)表明，基于RSS和DRSS的LVS方案中所推導的虛警率和檢測率的表達式完全正確，同時，驗證了shadowing correlation因子Dc對虛警率和檢測率的影響。

4 總結(jié)

針對無線網(wǎng)絡(luò)中惡意節(jié)點的位置欺騙攻擊，本文在空間陰影相關(guān)性環(huán)境下分析了基于RSS和DRSS的LVS。首先，再推導了基于RSS的和DRSS的決策規(guī)則，隨后，推導了它們各自的虛警率和檢測率的表達式，這些表達含有correlation shadowing 因子信息。實驗仿真驗證了推導的虛警率和檢測率的表達式的正確性，并分析了correlation shadowing 因子對位置驗證性能的影響。

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(責任編輯 陳葵晞)

桂林航天工業(yè)學院教改項目《以應(yīng)用為核心，以專業(yè)需求為導向的應(yīng)用型本科計算機公共課程體系改革研究與實踐》(2016JB08)。

黎慧,女,湖南湘鄉(xiāng)人。講師。研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)及算法、數(shù)據(jù)處理。1李志梅2

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2095-4859(2016)04-0461-07