基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法

摘要

本发明公开了一种基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法。该方法通过预测能量收集周期内能够收集的能量，采用“量入为出”的原则尽可能充分利用收集的能量以创建更多的干扰源节点，实现隐私保护的最大化。在距离基站较远的区域有大量的路由分支，同时具有丰富的能量，将这部分区域称为非热区，而距离汇聚节点较近的区域称为热区。分支汇合的隐私保护路由方法使路由在到达基站前汇合成很少的几条路由，从而减轻了传感器网络中热区内节点的传输负担，在提高网络隐私保护强度的同时也使得网络的能量利用率得到显著的提高。

权利要求

1.一种无线传感器网络中基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法，用于提高网络隐私保护强度和延长网络寿命，其特征在于：充分利用收集的能量以创建更多的干扰源节点提高隐私保护强度，事件源产生的数据在发往基站前进行汇聚以延长网络寿命；

增加干扰源节点的数目能够提升对攻击者行动造成的影响，达到提高隐私保护强度的目的；

在无线传感器网络中，距离基站较近区域称为热区，每个事件源产生的数据并不是独立的发往基站，而是在发往基站前进行汇聚，且数据在发往基站前将多条路由汇合成一条或很少的k条路由，当基站决定将到达基站的条数确定为k时，基站在其一跳范围内选择k个节点具有转发数据的功能，这此节点设置自己到达基站的跳数为1，而其它一跳范围内的节点则将自己到达基站的距离变为无限大，一跳范围内仅有k个节点向外广播自己到达基站的距离为1，从而形成不超过k条到达基站的汇合路由，热区的能量消耗仅为已有策略能量消耗的1/k。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，考虑热区节点的能量消耗，以热区能够承担数据包个数为上限来确定能够选取源节点个数，如果热区在一个能量收集周期内能够承担的数据包个数为m，而每一个源节点发起路由后持续的时间为t个时隙，发送数据包的周期长度τ(即时隙长度)，则能够选取的源节点个数为下式：

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据网络中节点到达基站的真实跳数找寻在基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法中节点到基站的路由跳数，该过程分为获得每个节点到达基站真实跳数和形成点到达基站路由跳数两个阶段。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，数据传输过程中下一跳节点的选择需要考虑如下三个方面的因素：节点的剩余能量、节点的能量收集能力和节点当前处理数据的情况。

说明书

基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法

技术领域

[0001] 本发明属于无线传感器网络领域，特别涉及一种无线传感器网络中基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法。

背景技术

[0002] 能量收集无线传感器网络是指网络中存在的节点能够通过周围的环境(如太阳能、风能、热能等)实现能量收集与补充的网络，由于其能量可再生，因此可以将其运用到无人操作的重要复杂环境下进行长期监测。安全问题向来是传感器网络发展需要解决的关键问题之一，而其中一个重要的安全问题就是源节点隐私保护问题，所谓源节点隐私保护问题就是指在无线传感器网络中将源节点位置进行隐藏，通常事件源产生后，事件源附近的源节点会产生数据并路由到基站，而事件源往往是潜伏在战场的战士，执行特殊任务的武警，或者一些珍稀动物，如果攻击者能够通过无线定位跟踪技术获得源节点的位置，那么对于这些源节点来说十分危险，因此隐私保护问题显得尤为重要。

[0003] 传统无线传感器网络的另一个重要研究内容就是如何节省能量而延长网络寿命，而在能量收集无线传感器网络中，由于节点可以从周围环境中收集能量(如太阳能，风能等绿色能源)，其收集的能量存储到电池中，因此，即使在某一时刻电池的能量消耗完而使节点失效时，这种失效也可以只是暂时的，失效的节点在能够收集能量时，又会使节点正常工作。另一方面，节点的能量收集是不稳定的，受多个方面因素的制约。例如，利用太阳能进行充电的节点其能量收集的速度与多少和气候、环境等紧密相关。因而在能量收集无线传感器网络中能量的有效使用也是一个非常复杂的问题。

[0004] 已经有相当多的源节点位置隐私保护研究，总结为如下几个方面：(1)数据洪泛方式：网络中的节点无论事件是否发生都将周期性的产生数据，或填充无用数据，使得所有节点发送数据包的长度相同，并通过相同的路由方式发送给基站；(2)幻象路由方法：仅有事件源节点产生数据，总体采用单一路由路径路由到基站，这种策略的优点是只需要一条路由路径就可以将事件数据传送到基站，从而相比于洪泛方式策略来说可以节省大量的能量，但一般来说幻象节点离源节点不会太远，因而，攻击者可以采用其它方法相结合，还是有可能发现源目标节点，并不能保证其安全性。

[0005] 依据源位置隐私攻击中攻击者的强度又可以分为抵御全局攻击的源位置隐私保护策略、抵御局部攻击的隐私保护策略两类。其中，抵御全局攻击常采用的方法是采用类似于泛洪算法为基础的一类算法，因而极其消耗能量。而值得庆幸的是，一般来说全局攻击视野的攻击者较难以做到，它需要极其昂贵的设备，但采用极其显眼的设备又极容易曝露攻击者自己。因而，在实际中，往往是具有局部视野的攻击者对数据源进行跟踪。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种无线传感器网络中基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法，其目的在于，充分利用收集的能量以创建更多的干扰源节点提高隐私保护强度，并将事件源产生的数据在发往基站前进行汇聚以延长网络寿命。

[0007] 每个节点发送数据的事件是独立且没有规律性的，因此，只有局部视野的攻击者难以从众多混杂虚假事件源的节点中找到真正的事件源，增加干扰源节点的数目能够提升对攻击者行动造成的影响，达到提高隐私保护强度的目的；

[0008] 在无线传感器网络中，距离基站较近区域需要为更多的节点进行数据转发，能量消耗大，将该区域称为热区，在基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法中，每个事件源(包括真实事件源与众多的虚假事件源)产生的数据并不是独立的发往基站，而是在发往基站前进行汇聚，依据能量的情况汇聚成1条，或者很少的几条路由发往基站，这样，与每条虚假路由都独立发基站的隐私路由策略相比，采用分支汇合策略的方法大大减少了网络热区的能量消耗，从而提高了网络寿命。

[0009] 设能量收集的周期时间是T(对于太阳能solar energy来说其周期是24小时),T可以划分为更小的相等的数据发送周期时隙(slot)，比如τ。用 表示在时隙j内收集到的能量，用 表示时隙j内消耗的能量.因此，电池(battery)在时隙k的剩余能量可以用下式计算：

[0010]

[0011] 其中，Ebtr(t)是电池在时隙t时的剩余能量，t0是节点开始的时隙0。

[0012] 在本发明中，每个节点独立的产生数据，独立的按照前一节给出其的路由算法向基站路由，路由和过程中汇聚成少数的几条到达基站的汇合路由。因而要求每个节点随机的选择一个时隙以固定的周期τ作为源节点发送数据。因而作为源节点，节点在每个周期τ发送一个数据包。因此，在一个时隙τ内需要消耗的能量也是固定的设为 (由于充当源数据的节点，即使转发其它节点的数据，每个周期也只会消耗能量 因而节点在充当源节点时不需要考虑其转发其它节点的能量消耗)。这样，我们设某节点随机的选择一个时隙，表示从此时隙开始发送数据，那么此时隙开始能够发送数据的最长周期数α就是问题的求解。假设节点随机选择从第i个时隙开始，能够持续的时隙数为α，则能量的分配向量问题转化为下式：

[0013]

[0014] 在上式中， 即在时间周期T内的时隙个数。 是节点的电池最大容量，是在时隙k时消耗的能量。由于电池的容量有限，因而在充电的过程中，超电池的最大容量时，则不能再补充能量，而当电池的剩余能量低于一定阈值(比如0)时，则不能再消耗能量，而消耗的能量 不能大于当前电池的能量Ebtr(t0+kτ)。每个节点一旦开始充当源节点的时间段(i..i+ατ)内，每一个时隙内的能量消耗固定为 在时间段(i+ατ+1,nτ)内其能量消耗为ω，这段时间的能量消耗为其承担数据转发的能量消耗。 的条件是指在此能量收集周期T结束时，节点的电池的能量与上一个能量收集周期未的能量是相等的，即达到中性能量消耗。

[0015] 用 表示距离当前预测周期的前第k个能量收集周期的第i个时隙的能量收集量。本文采用综合前w个能量收集周期的数据来预测当前能量收集的量，即采用基本历史信息的估算方法，如下式所示：

[0016]

[0017] 式中 是衰减函数，用来对发生在不同时刻的能量收集量预估时进行合理的加权,根据能量收集的特征，当前时隙的收集量与节点近段时间的能量收集是密切相关的。因为太阳能收集时，在夏天时的很长一段时间内其太阳光照都非常强烈，而在冬于其收集收集保持在低的水平。因此，我们用近段时间内能量的收集情况来预测下某一个时隙的能量收集量。我们把离当前时隙最近的w个周期相同时隙的能量收集量来预测将来某一时隙的能量收集量。很显然，离当前时隙越近的时隙权重越大，因而用过去历史能量收集量来预测将来能量收集量时，越是近的时隙给予的权重越大，因而我们采和的权重系数衰减函数定义为下式：

[0018]

[0019] 考虑热区节点的能量消耗，以热区能够承担数据包个数为上限来确定能够选取源节点个数，如果热区在一个能量收集周期内能够承担的数据包个数为m,而每一个源节点发起路由后持续的时间为t个时隙，发送数据包的周期长度τ(即时隙长度)，则能够选取的源节点个数为下式：

[0020]

[0021] 其次，需要根据网络中节点到达基站的真实跳数找寻在基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法中节点到基站的路由跳数，该过程分为获得每个节点到达基站真实跳数和形成点到达基站路由跳数两个阶段。

[0022] 第一阶段：获得每个节点到达基站真实跳数。基站设置自己到达基站的跳数为0(v0.h1＝0，用v0表基站，其属性h1表示其到达基站的真实跳数)，其它所有节点设置自己到达基站的跳数为无穷大。首先由基站发起，向外广播其到达基站的跳数为0，设广播包(B)的信息中包含跳数的信息域为hm，然后，接收到信息包的节点比如vi根据下式比较的结果来更新自己到达基站的跳数：

[0023] vi.h1

[0024] 如果上式成立，则更新节点vi更新自己到达基站的跳数，如下式：

[0025] vi.h1＝B.hm+1

[0026] 否则，节点vi不需要任何动作；如果节点vi更新了自己到达基站的跳数，则将自己到达基站的跳数放置到广播包中向外广播。以上过程重复下去。直到所有节点的跳数不再更新，或者经过预定的更新时间为止。

[0027] 第二阶段：形成节点到达基站的路由跳数。用vi.h2来表示节点vi到达基站的路由跳数是h2，在每个节点到达基站的跳数确定后，设置每个节点到达基站的路由跳数vi.h2＝vi.h1。在随后的路由过程中，每个节点都是选择距离自己最近的路由跳数向基站路由。但是与以往路由不同的是，每个节点选择最短路由路径后，就将自己到达基站的路由跳数设置为0，即vi.h2＝0。然后，每个设置后的节点采用与获得h1类似的方法来更新h2。通过以上过程最终形成节点到达基站的路由跳数。

[0028] 数据传输过程中下一跳节点的选择需要考虑如下三个方面的因素：节点的剩余能量、节点的能量收集能力和节点当前处理数据的情况。节点的剩余能量越多，应该有更多有概率被选择为路由的下一跳。选择下一跳时还应该选择能量收集率大的节点，特别是节点的能量收集速度远大于数据发送的能量消耗时，这时节点发送数据对其能量的影响甚小，因而具有更大的优先被选择概率。在选择路由时，如果有剩余能量相等的两个节点，其中一个节点已经完成其数据发送周期的操作，而另一个节点还没有进行其数据发送的操作，在这种情况下，显然，已经完成数据操作的节点因为在后续的操作中不需要再在数据发送上消耗能量，因而选择其作为下一跳节点具有更高的优势。

[0029] 数据在发往基站前需要将多条路由汇合成一条或很少的k条路由，当基站决定将到达基站的条数确定为k时，基站在其一跳范围内选择k个节点具有转发数据的功能，这此节点设置自己到达基站的跳数为1，而其它一跳范围内的节点则将自己到达基站的距离变为无限大，这样，一跳范围内仅有k个节点向外广播自己到达基站的距离为1，经过类似于上述两个阶段的方法从而形成最多有k条到达基站的汇合路由。

[0030] 利用分支汇合方法能够极大的改善网络寿命。数据在发往基站前将多条路由汇合成一条或很少的几条路由，这是因为在网络中真实的源数据是非常少，通常只有1个或者少数的几个，甚至没有事件产生，因而只需要将真实的源数据发送到基站，而其它虚假的数据则无需发送，因此，在基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法中，节点接收到数据包后并不是立即向前传送，而是每个节点等待一个固定的周期后再向前发送，对于多个真实数据源的数据，则采用数据融合技术融合成一个数据包，可见选取的虚假事件源的数据与发往基站的路由条数关系并不是一一对应的，众多的虚假源节点中对应一条到达基站的路由，若网络中最后汇聚出k条最终发往基站的路由，则热区的能量消耗仅为已有策略能量消耗的1/k。

[0031] 综上所述，本发明采用的基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法通过预测能量收集周期内能够收集的能量能够尽可能创建更多的干扰源节点，实现隐私保护的最大化。在距离基站较远的区域有大量的路由分支，同时具有丰富的能量，分支汇合的隐私保护路由方法使路由在到达基站前汇合成很少的几条路由，从而减轻了传感器网络中热区内节点的传输负担，在提高网络隐私保护强度的同时也使得网络的能量利用率得到显著的提高。

附图说明

[0032] 图1为本发明方法的总体结构图；

[0033] 图2为在本发明所述方法下，能量收集预测值与实际能量值示意图；

[0034] 图3为不同隐私保护方法下路由长度的对比图；

[0035] 图4为本发明方法与幻象路由方法路由长度的比值对比示意图；

[0036] 图5为不同数据发送频率下本发明方法的路径长度情况；

[0037] 图6为不同节点密度下本发明方法的路径长度情况；

[0038] 图7为在不同隐私保护策略下的能量消耗情况示意图；

[0039] 图8为不同节点密度下网络的总能量消耗情况示意图；

[0040] 图9为本发明方法与幻象路由方法在不同数据包发送时隙下的路由路径总长度的情况；

[0041] 图10为本发明方法与幻象路由方法在不同节点密度下的路由路径总长度的情况。

具体实施方式

[0042] 下面将结合实例和附图对本发明做进一步的说明。

[0043] 一种无线传感器网络中基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法，如图1所示，在增加干扰源节点数目实现隐私保护最大化的同时，使路由在到达基站前汇合成很少的几条路由，从而减轻了传感器网络中热区内节点的传输负担，延长网络寿命；

[0044] 每个节点发送数据的事件是独立且没有规律性的，因此，只有局部视野的攻击者难以从众多混杂虚假事件源的节点中找到真正的事件源，增加干扰源节点的数目能够提升对攻击者行动造成的影响，达到提高隐私保护强度的目的；

[0045] 在无线传感器网络中，距离基站较近区域需要为更多的节点进行数据转发，能量消耗大，将该区域称为热区，在基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法中，每个事件源(包括真实事件源与众多的虚假事件源)产生的数据并不是独立的发往基站，而是在发往基站前进行汇聚，依据能量的情况汇聚成1条，或者很少的几条路由发往基站，这样，与每条虚假路由都独立发基站的隐私路由策略相比，采用分支汇合策略的方法大大减少了网络热区的能量消耗，从而提高了网络寿命。

[0046] 图1中整个圆形网络内分布有若干传感器节点，其中黑色实心圆圈表示基站，负责对数据进行收集，其他节点则为普通传感器节点，圆圈内的数字为节点到达基站的路由跳数。图1的形成分为两步。首先，需要根据网络中节点到达基站的真实跳数找寻在基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法中节点到基站的路由跳数，该过程分为获得每个节点到达基站真实跳数和形成点到达基站路由跳数两个阶段。该过程已在之前进行了详述。通过这两个阶段能够得到节点到达基站的路由跳数，也就是图1中每个节点上标出的数字。第二步则是路由汇合阶段，基站在其一跳范围内选择k个具有转发功能的节点，这此节点设置自己到达基站的跳数为1，而其它一跳范围内的节点则将自己到达基站的距离变为无限大，经过类似于前两个阶段的方法从而形成最多有条到达基站的汇合路由。最后形成的基于分支汇合能量收集传感器网络源位置隐私保护的方法如图1所示，图中节点中的∞表示基站指定这些节点不转发数据。

[0047] 图2中的圆点线曲线表示综合前w个能量收集周期的数据来预测当前能量收集的量所计算出的预测值。下三角线表示是实际的值。可见预测值与实际值还有一定的差距。这种差距离产生的原因是：由于太阳能收集与天气情况密切相关，因此，在预测值的数量级上来看是与前几个周期密切相关，但是更多的是与当前周期的能量收集情况关系更密切。

[0048] 图3给出了不同隐私保护策略下路由长度的对比。对比的网络场景如下：网络半径＝500m,节点密度为0.002个/m2。节点在一个能量收集周期(24小时)的能量能够提供节点发送200到600个数据包(用表示)，数据的发送周期为5分钟，即在一个能量收集周期内共有时隙的个数为24*60/5＝288个。图4给出了本发明方法与幻象路由方法路由长度的比值情况。从图3与图4的分析结果可以看出本发明方法的路由长度是幻象路由方法长度的3.2到9.8倍，实际上意味着隐私保护能力也提高了3.2到9.8倍。可见本发明方法具有较好的安全性。

[0049] 图5给出了在不同数据发送频率下本发明方法的路径长度情况。从图5可以看出，当数据发送的时隙从从小变大时，就意味着在源节点个数一定的情况下，在一个能量收集周期内发送的数据包个数变少，从而所消耗的能量减少。而收集的能量不变，因而可以增加源节点的数量，增加源节点的数量意味着同量有更多的源节点产生数据，从而更能够迷惑攻击者，增强源位置隐私保护能力。而增加源节点数量就意味着增加了路径长度，路由路径长度增加，意味着安全性增加。

[0050] 图6给出了不同节点密度下本发明方法的路径长度情况。从图6可以看出，当网络节点密度增大时，则网络节点数量增大，从而能够收集的能量增大。从而有更多的能量来创建更多的虚假源节点。因而其路径长度也增大，意味着隐私保护能力增强。

[0051] 图7给出的给出在不同隐私保护策略下的能量消耗情况。从图7可以看出，本发明方法使得网络不同区域的能量消耗基本均衡(从理论上来看，本发明方法应该可以做到整个网络均衡，但由于实验中，节点是随机分布的，事件也是随机产生的，因而能量消耗并不是很均衡，还是存在热区能量消耗高，而非热区能量消耗低的情况)。而在幻象路由方法下，距离基站越近，能量消耗越高，而随着距离基站越远，其能量消耗快速下降。

[0052] 图8给出的是在不同节点密度下网络的总能量消耗情况。从图8可以看出，随着网络节点密度的增大，因而在一个能量收集周期内总的能够收集的能量增多，而本发明方法目标是充分利用网络收集的能量，因而随着节点密度的增加，网络的总能量消耗增加。

[0053] 图9与图10给出了本发明方法与幻象路由方法在不同数据包发送时隙，不同节点密度下的路由路径总长度的情况。从实验结果可以看出本文的本发明方法比幻象路由方法的总路径长度长7.8倍以上。路径长意味着隐私保护的安全强度增强。因为在本发明方法中路由形成一棵树形的路由结构，树中的每一个分支路由都有可能是真实分支路由，也有可能是虚假的干扰分支路由，但攻击者不能区分，因而攻击者只能采用穷尽搜索方法进行攻击，试探性的对分支路由进行攻击，因而其路径长度就与安全性是正比的，因而长的路径长度意味着高的安全性，因为本发明方法充分利用了网络能量收集的能量，其总路由长度是幻象路由方法长度的7.8倍，因而其安全性远高于幻象路由方法。

[0054] 综上所述，本发明所述方法通过对干扰源节点的设置能够提升总路由长度，从而极大的提高了网络隐私保护强度，同时，利用分支汇合方法使得热区内节点的传输负担降低，从而节约能量消耗达到延长网络寿命的目的。