每周文章分享-59

研究背景

水下物联网（Internet of Underwater Things，IoUTs）被描述为一个由智能的、相互连接的水下物体组成的全球网络，该网络可以对巨大的未探测水体进行监控。在IoUTs中，最有前途的技术之一是利用水下传感器网络（Underwater Sensor Networks，USNs）检测海域。USNs可以支持海洋资源保护、天然气和石油泄漏监测、数据收集、灾害预警和地雷侦察等领域的应用。对于USNs的应用，传感器节点的精准定位已成为首要前提之一。

然而，USNs的独特特性使得水下定位更具有局限性。首先，在水下环境中通常利用声信号进行通信，而声速的传播延迟比地面射频信道高五个数量级。因此USNs中的时钟通常是异步的，这导致精准的测量距离很难被获取。其次，水下的节点通常在水流的驱动下进行被动运动，这导致任意两个节点之间的往返传播延迟存在差异。而且，水下节点通常部署在恶劣甚至不安全的环境中，如果忽视隐私保护可能会导致隐私泄漏，甚至导致定位失败。因此，一种综合考虑异步时钟、节点移动性和隐私保护的定位算法需要被研究。

关键技术

本文提出了一种USNs中保护隐私的异步定位方法。首先，构建了一个包含浮标、锚节点、主动传感器节点和普通传感器节点的混合网络结构。然后，提出了一种异步定位协议，通过该协议设计了两种保护隐私的定位算法来估计主动传感器节点和普通传感器节点的位置。这两种定位算法不采用任何同态加密技术，而是向网络显示一个隐藏的位置。此外，两种定位算法可以消除异步时钟的影响，即时钟偏差（clock skew）和时钟偏移（clock offset）。

该方法的创新和贡献如下：

1）提出了一种考虑异步时钟和移动性的异步定位协议：为了消除异步时钟和移动性的影响，本文提出了一种异步定位协议，通过该协议建立了传播时延和位置之间的关系。在本文中锚节点和传感器节点之间的时钟不需要同步。同时，本文提出的定位协议能够同时补偿时钟偏差和偏移的影响。

2）提出了一种考虑隐私保护的异步定位算法：在不采用任何同态加密技术的情况下，为USNs设计了基于PPS和PPDP的异步定位算法来隐藏节点的私有位置信息。

算法介绍

1. 系统模型

图1展示了本文提出算法的网络体系结构，该网络结构包含四种不同类型的节点。

图1 USNs网络架构

1）地面浮标：地面浮标安装有GPS，通过电磁通信获取准确的时间参考和位置。水面浮标的作用是为锚节点提供自我定位和时钟同步服务。

2）锚节点：锚节点是强大的固定节点，它们与水面浮标直接通信。本文假设锚节点的时钟是同步的，并且位置是通过使用一些现有技术预先获知。

3）主动传感器节点：主动传感器节点通过向网络广播时间戳来启动整个定位过程。

4）普通传感器节点：普通传感器节点是低复杂度的节点，它们不能主动启动整个定位过程，也就是说，它们只是被动地监听网络，然后向锚节点发送状态噪声。

由于水流的影响，主动传感器节点和普通传感器节点被动移动，其速度可以通过多普勒速度测井（DVL）或光纤陀螺（FOG）进行精确测量。在本文中，主动传感器节点和普通传感器节点的位置需要被估计和保护，但它们的时钟是异步的。

2. 异步定位协议

定位过程分为两个子过程：a)主动传感器定位；b)普通传感器定位。本文在不丧失通用性的前提下，首先考虑了一个主动传感器节点和一个普通传感器节点，然后扩展到多个节点。此外，每个节点只能听到来自其相邻节点的消息，即由于其感知范围有限，每个节点无法听到其他节点的消息。

假设锚节点部署在主动传感器节点和普通传感器节点的感知范围内，同时，相邻锚节点的id是主动传感器节点和普通传感器节点预先知道的。在开始时，主动传感器节点向其邻近节点发送一个启动消息。在接收到启动消息后，锚节点记录并回复启动消息。同时，普通传感器节点被动地侦听来自主动传感器节点和锚节点的消息。由于信息交换过程可以快速完成，所以假设在时间戳交换过程中，主动和普通传感器节点的位置是固定的。时间戳的传输过程如图2所示。据此，异步定位协议的详细说明如下：

图2 时间戳传输过程示例图

1）在时间Ta,a处，主动传感器节点向网络中发送一个启动数据包，该数据包局部长度为tr，这个数据包包含了tr和锚节点的发送顺序。随后，主动传感器节点切换到等待模式，等待其他节点的回复。

2）在时间ta,i，锚节点i接收到启动数据包，然后切换为等待模式。在时间ti,j处，锚节点i接收到来自锚节点j∈{1,…,i-1}的消息。当来自锚节点i-1的消息到达锚节点i后，锚节点i在时间ti,i处发送出它的消息，该消息的长度为tr,i。该消息包括ta,i，对于任意j的{tj,i}，ti,i，tr,i和锚节点i的伪装状态。锚节点的伪装状态可以通过在真实状态中加入噪声获得，在后面会提到。

3）在时间Ti,a处，主动传感器节点收到来自锚节点i的回复。在收到所有锚节点的回复后，主动传感器节点结束其等待模式。因此，主动传感器节点收集到测量值。

4）普通传感器节点被动监听网络，并根据需要向锚节点发送状态噪声。因此，普通传感器节点具有来自锚节点的时间戳测量值。

5）在1）和2）收集到的时间戳，给出了两种异步定位算法，以估计主动传感器节点和普通传感器节点在时间戳Ta,a和Ta,p处的位置。本文的时钟模型计算时间偏差和偏移量。

由于节点的移动特性，定位协议需要定期执行以更新节点的位置信息，但是频繁执行定位协议可能会导致节点通信成本的浪费，为了解决这个问题，本文提出了一种移动性补偿策略，以平衡通信成本和定位精度之间的关系。因此，本文将时间轴划分为多个测量窗口，如图3所示。

图3 测量窗口结构示例

3. 基于PPS的主动传感器节点定位算法

为了消除异步时钟的影响，假设所有节点具有相同的测量质量。每个局部测量的测量噪声是一个均值为0，方差为delta的随机变量，这取决于存在多径传播和环境噪声时的基础信号处理。由此，得到锚节点i的测量距离差。基于以上知识，本文建立了最小二乘问题。

计算过程如图4所示，通过求解以上问题，可以获得估计值。因此，时钟偏差可以通过穷举搜索获得，所以本文得到时钟偏移。

图4 基于PPS的状态计算说明

4. 基于PPS和PPDP的普通传感器节点定位算法

为了消除异步时钟的影响，本文定义了时差。基于时差的定义，构造出时差和传播延迟之间的关系。由此，得到距离差。

由于普通传感器节点无法主动发送时间戳，因此无法像主动传感器节点一样消除时钟偏差，为了消除时钟偏差的影响和减小测量噪声，本文通过建立最小二乘问题并求解。

计算过程如图5所示，通过求解以上问题，可以得到xp，即在异步时钟和隐私保护的情况下，可以定位普通传感器节点的位置。

图5 基于PPS和PPDP的状态计算说明

实验结果

本文在MATLAB 2017b上实现仿真，将十个主动传感器节点和十个普通传感器节点随机部署在一个区域中，如图6所示。锚节点可以有效地与主动传感器节点和普通传感器节点进行通信，即在通信过程中可以成功接收和解码数据包。图中，圆形表示主动传感器节点，矩形表示普通传感器节点，星形表示锚节点。

 图6 锚节点和传感器节点的部署

图7（a）显示了主动传感器节点（标记为“1”）的实际位置和定位位置。为了清楚地描述，将主动传感器节点的定位误差定义为err1，相应地，定位误差如图7（b）所示。从图7（a）和图7（b）可以看到基于PPS的异步定位算法和传统LS算法获得的定位精度是完全相同的。这个结果验证了本文算法的有效性。类似地，普通传感器节点（标记为“2”）的实际和定位位置也如图7（a）所示。将普通传感器节点的定位误差定义为err2，然后两种方法的定位误差如图8（c）所示。显然，基于PPS和PPDP的异步定位算法获得的定位精度与传统LS估计获得的定位精度一致。

图7 传感器节点位置和定位误差的等价性评估

本文考虑了以下两种情况：1）αp=1，βp=0；2）αp≠1，βp≠0。基于此，场景1中普通传感器节点的实际和定位位置如图8（a）所示，定位误差如图8（b）所示。显然，普通传感器节点的定位任务可以通过两种方法实现，因为定位误差都被限制在期望的范围内。在相同的假设下，时钟偏差设置为1.02，而时钟偏移设置为0.5。相应地，普通传感器节点的实际位置和定位位置如图8（c）所示，而定位误差如图8（d）所示。显然，异步时钟会严重影响定位精度，并且同步定位算法无法完成定位任务。通过这种比较，本文得出在传感器节点进行定位时非常有必要考虑异步时钟。

图8 本文算法 vs 同步定位算法

图9（a）显示了主动传感器节点的实际位置和局部位置，而图9（b）显示了定位误差。此外，主动传感器节点的时钟可以推断为αa=1.0008和βa=152.0373μs。显然，本文基于PPS的异步定位算法可以实现定位任务，因为所有的定位误差都接近于零。结果表明，本文设计的异步定位算法是有效和有意义的。

图9 基于PPS的主动传感器节点异步定位算法的实验结果

总结

出于对隐私保护的考虑，本文研究了USNs的异步定位问题。为了消除异步时钟（即时钟偏差和时钟偏移）的影响，本文提出了一种包含移动性补偿策略的异步定位协议。在此基础上，设计了基于PPS和PPDP的定位算法来隐藏节点的隐私信息，并进行了性能分析。实验表明，本文提出的算法可以实现定位任务，同时可以消除时钟的影响。