一種源位置隱私保護(hù)協(xié)議中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種源位置隱私保護(hù)協(xié)議中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)控制方法，屬于無(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSN)由普通傳感器節(jié)點(diǎn)（Node)和 基站（也叫匯聚節(jié)點(diǎn)，SinkNode)組成，集感知、通信和數(shù)據(jù)處理于一體，擴(kuò)展了人們的信 息獲取能力。在目標(biāo)追蹤和監(jiān)測(cè)型WSN應(yīng)用中，源節(jié)點(diǎn)位置的暴露將嚴(yán)重威脅到監(jiān)測(cè)對(duì)象 的安全。例如，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在野外監(jiān)測(cè)珍稀動(dòng)物或者散布于戰(zhàn)場(chǎng)獲得軍隊(duì)的實(shí) 時(shí)消息。動(dòng)物的位置不能被偷獵者獲知，軍隊(duì)的位置不能被敵軍掌握。因此，源節(jié)點(diǎn)的物理 位置隱私保護(hù)成了一個(gè)值得研究的問(wèn)題。
[0003] 由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常使用電池供電，節(jié)點(diǎn)尺寸、計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和能量資源等 都受到限制。數(shù)據(jù)包發(fā)送能耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算能耗，傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送lbit數(shù)據(jù)消耗的能量 可以被用來(lái)執(zhí)行3000條計(jì)算指令。因此，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中如何節(jié)省能量，從而最大限度 地提高網(wǎng)絡(luò)生命周期，是在設(shè)計(jì)安全策略的同時(shí)需要兼顧的問(wèn)題。
[0004] 現(xiàn)有研究成果存在種種缺陷，如幻影源節(jié)點(diǎn)得不到很好的分散；且如果無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)是均勻分布的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)等概率的從候選的鄰節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)，那么幻 影源會(huì)高度集中于以真實(shí)源為圓心，以h為半徑的圓上。對(duì)于有一定記憶能力的攻擊者，一 旦發(fā)現(xiàn)了這個(gè)規(guī)律，定位真實(shí)源位置就變得輕而易舉。另外，h跳洪泛過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù) 據(jù)會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)較重負(fù)載，會(huì)縮短網(wǎng)絡(luò)生命周期。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 圖1為本發(fā)明的方法工作流程圖。
[0006] 圖2為攻擊者偵聽(tīng)范圍示意圖。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提出一種源位置隱私保護(hù)協(xié)議中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)控制方法，旨在解決 現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。該方法包括下列步驟：
[0008] (1)將傳感器網(wǎng)絡(luò)以基站B為中心，劃分為寬為r的m個(gè)層次，其中第一層為熱區(qū)， 其它層為非熱區(qū)，記每一層為Cl，i為正整數(shù)且i<m;
[0009] (2)計(jì)算熱區(qū)節(jié)點(diǎn)死亡前網(wǎng)絡(luò)還能發(fā)送的數(shù)據(jù)輪數(shù)I；，I；滿足
其中NH表示熱區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)目，Esk表示熱區(qū)節(jié)點(diǎn)k的 剩余能量，且k= 1，2,…，NH，1表示節(jié)點(diǎn)在距離d上發(fā)送的數(shù)據(jù)量，單位為bit，表示 接收/發(fā)射電路中接收/發(fā)射每比特信號(hào)所消耗的能量，efs為各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射放大電路在 單位面積內(nèi)傳播每比特信號(hào)所消耗的能量；
[0010](3)計(jì)算在I；一 1輪數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中各層承擔(dān)的能量消耗E"，
其中Nnh表示非熱區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)目，N。表示cJ1接收的 數(shù)據(jù)量，N&表示c;層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，變量j表示數(shù)據(jù)量的累加量，E表示各節(jié)點(diǎn) 的接收電路消耗的能量，E&表示各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射電路消耗的能量，且E_(k) = 1 ?E^。，
其中e是發(fā)送放大器系數(shù)，d。是距離閾值。
[0011] (4)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)用于本輪發(fā)射的最大能量Emax，Emax=Esi-Ed/Uh表示非熱區(qū)節(jié) 點(diǎn)的剩余能量，Nei表示各層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；
[0012] (5)由以上步驟可求得本輪最大發(fā)送距離dmx;
[0013] (6)確定調(diào)整后的發(fā)射半徑d'。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于熱區(qū)時(shí)，d' =min{r， ^adjust? d-xl;當(dāng) 節(jié)點(diǎn)處于非熱區(qū)時(shí)，d' =min{d adjust，dj^Ax}' 其中
[0014]
[0015] (1__為節(jié)點(diǎn)調(diào)整后的發(fā)射半徑，-為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，nb 為節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量，EOTigin為節(jié)點(diǎn)初始能量，y、A為調(diào)節(jié)因子， 且]i+入=1〇
[0016] 該方法在具有較高隱私保護(hù)能力的同時(shí)保證較高的網(wǎng)絡(luò)壽命。在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程 中，節(jié)點(diǎn)依據(jù)剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射半徑，并保證自己不會(huì)比熱區(qū)節(jié)點(diǎn)先死亡的前提下進(jìn) 行。節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)自身情況靈活調(diào)整發(fā)射半徑，加大攻擊難度。在提供安全保護(hù)的同時(shí)，有 效利用了網(wǎng)絡(luò)的剩余能量。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明的核心在于在路由過(guò)程中動(dòng)態(tài)維護(hù)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射半徑，如圖2所示，假設(shè)攻 擊者從基站反向追蹤到了A節(jié)點(diǎn)，在A位置偵聽(tīng)r范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)包流量，以期待能繼續(xù)反向 追蹤直到源節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)D向節(jié)點(diǎn)A轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包Ml時(shí)，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)D在攻擊者的r范圍內(nèi)， 所以攻擊者可以通過(guò)數(shù)據(jù)包流量分析追蹤到節(jié)點(diǎn)D。而當(dāng)節(jié)點(diǎn)C向節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)包M2 時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)C不在攻擊者的偵聽(tīng)范圍內(nèi)，所以攻擊者不能通過(guò)流量分析進(jìn)行下一步追蹤， 于是不得不在節(jié)點(diǎn)A等待更長(zhǎng)的時(shí)間。這為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)提供了更長(zhǎng)的安全時(shí)間。
[0018] 根據(jù)上述分析，提出了本發(fā)明，即一種源位置隱私保護(hù)協(xié)議中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適 應(yīng)控制方法，圖2給出了該方法的具體流程，具體步驟如下：
[0019] (1)將傳感器網(wǎng)絡(luò)以基站B為中心，劃分為寬為r的m個(gè)層次，其中第一層為熱區(qū)， 其它層為非熱區(qū)，記每一層為Cl，i為正整數(shù)，i<m;
[0020] (2)計(jì)算熱區(qū)節(jié)點(diǎn)死亡前網(wǎng)絡(luò)還能發(fā)送的數(shù)據(jù)輪數(shù)I；，I；滿足
，其中NH表示熱區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)目，Esk表示熱區(qū)節(jié)點(diǎn)k 的剩余能量，且k= 1，2,…，NH，1表示節(jié)點(diǎn)在距離d上發(fā)送數(shù)據(jù)量，表示接收/發(fā)射電 路中接收/發(fā)射每比特信號(hào)所消耗的能量，efs為各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射放大電路在單位面積內(nèi)傳 播每比特信號(hào)所消耗的能量；
[0021](3)計(jì)算在I；一 1輪數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中各層承擔(dān)的能量消耗E"，
$中Nnh表示非熱區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)目，。表示ci層接收的數(shù)據(jù) 量，N&表示c;層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，E。表示各節(jié)點(diǎn)的接收電路消耗的能量，E&表示各節(jié)點(diǎn) 的發(fā)射電路消耗的能量，且E_(k) = 1
efs,eanp 為各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射放大電路在單位面積內(nèi)傳播每比特信號(hào)所消耗的能量，d。是距離閾值，由 此確定最大距離dMAX;
[0022] (4)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)用于本輪發(fā)射的最大能量Emax，Emax=E 表示非熱區(qū)節(jié) 點(diǎn)的剩余能量，Nei表示各層節(jié)點(diǎn)數(shù)目；
[0023](5)確定調(diào)整后的發(fā)射半徑d'，當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于熱區(qū)時(shí)，d' =min{r，dad.just，dmx};當(dāng) 節(jié)點(diǎn)處于非熱區(qū)時(shí)，d' =min{d adjust'dj^jAx} ? 其中
[0024]
[0025] 的發(fā)射半徑，-為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，nb為某節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn) 個(gè)數(shù)，為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量，EOTigin為節(jié)點(diǎn)初始能量，y、X為調(diào)節(jié)因子，且]i+A= 1。
[0026] 在發(fā)射功率不受限制的情況下，要延長(zhǎng)通信距離，將需要成指數(shù)地加大發(fā)射功率。 一旦功率增大，節(jié)點(diǎn)能耗就會(huì)增大，基站附近的節(jié)點(diǎn)提前死亡的可能性就越大。所以節(jié)點(diǎn)的 發(fā)射距離受多方面控制。本發(fā)明在dad]ust的基礎(chǔ)上通過(guò)節(jié)點(diǎn)能耗模型進(jìn)一步計(jì)算它的最大 發(fā)射半徑，并將其應(yīng)用到WSN中源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中。
[0027] 就整個(gè)網(wǎng)絡(luò)而言，對(duì)于某次特定的數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程，從源節(jié)點(diǎn)到幻影節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò) 圓周路由再到達(dá)基站，該路徑上的所有節(jié)點(diǎn)是相關(guān)聯(lián)的，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)射半徑的選取會(huì)在 一定程度上影響到該路徑上的其他節(jié)點(diǎn)。越靠近基站的節(jié)點(diǎn)，發(fā)射距離的選取范圍越小，因
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種源位置隱私保護(hù)協(xié)議中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率自適應(yīng)控制方法，其特征在于：該方法包 括下列步驟： (1) 將傳感器網(wǎng)絡(luò)以基站B為中心，劃分為寬為r的m個(gè)層次，其中第一層為熱區(qū)，其它 層為非熱區(qū)，記每一層為Cl，i為正整數(shù)且i<m; (2) 計(jì)算熱區(qū)節(jié)點(diǎn)死亡前網(wǎng)絡(luò)還能發(fā)送的數(shù)據(jù)輪數(shù)I；，I；滿足的剩余能量，且k= 1，2,…，NH，1表示節(jié)點(diǎn)在距離d上發(fā)送的數(shù)據(jù)量，單位為bit，Ef3lf3tl表 示接收/發(fā)射電路中接收/發(fā)射每比特信號(hào)所消耗的能量，efs為各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射放大電路 在單位面積內(nèi)傳播每比特信號(hào)所消耗的能量； (3) 計(jì)算在I；一 1輪數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程中各層承擔(dān)的能量消耗E&收的數(shù)據(jù)量，Ntt表示c;層需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量，變量j表示數(shù)據(jù)量的累加量，E^。表示各節(jié) 點(diǎn)的接收電路消耗的能量，Ett表示各節(jié)點(diǎn)的發(fā)射電路消耗的能量，且E_(k) = 1 ?E^。，(4) 計(jì)算各節(jié)點(diǎn)用于本輪發(fā)射的最大能量Emax，Emax=EH-EtliA^Esi表示非熱區(qū)節(jié)點(diǎn)的 剩余能量，Nei表示各層節(jié)點(diǎn)數(shù)目； (5) 由以上步驟可求得本輪最大發(fā)送距離dMAX; (6) 確定調(diào)整后的發(fā)射半徑d'。當(dāng)節(jié)點(diǎn)處于熱區(qū)時(shí)，d' ;當(dāng)節(jié)點(diǎn) 處于非熱區(qū)時(shí)，d' =min{d adjust? ^MAX-^? 其中cU]ust為節(jié)點(diǎn)調(diào)整后的發(fā)射半徑，nb為網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的平均鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，nb為節(jié) 點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，Eramnt為節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量，Ecfflgin為節(jié)點(diǎn)初始能量，y、A為調(diào)節(jié)因子，且 U+ 人=Io
【專(zhuān)利摘要】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)中的位置隱私保護(hù)旨在保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的隱私安全，避免攻擊者在獲取了節(jié)點(diǎn)位置信息后對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全造成威脅?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)相當(dāng)有限的能量?jī)?chǔ)備，本發(fā)明提出一種源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)協(xié)議中動(dòng)態(tài)改變節(jié)點(diǎn)發(fā)射半徑的控制方法，在路由過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)根據(jù)自已的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、剩余能量以及到基站的距離自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)送距離，打破以往的傳輸距離為一跳的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)方式。該方法可以在提供安全保護(hù)的同時(shí)，有效利用網(wǎng)絡(luò)中的剩余能量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命與能耗的均衡。
【IPC分類(lèi)】H04W12/02, H04W40/10, H04W84/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105050080
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510480935
【發(fā)明人】賈宗璞, 魏曉娟, 趙珊, 郭海儒, 宋成
【申請(qǐng)人】河南理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年8月7日