CN101646219A - 一种基于定向天线的移动自组网络安全转发路径选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向天线的移动自组网络安全转发路径选择方法，首先建立移动自组网络平面图，获得友好节点信息，然后计算任意两个节点间通信的发射功率，以及任意两个节点间直接通信被侦测的概率，并且计算从源节点到目标节点的一条转发路径被侦测到的概率，从而计算得到从源节点到目标节点所有路径的侦测概率，从中选择侦测概率最小的路径作为安全路径，即信息传递的路径，并按照此路径调整节点天线方向、发射功率从而发送数据。此方法解决了在有侦测节点的不安全网络中信息可靠发送的问题，提升了友好节点的安全性和隐蔽性，降低了被侦测节点侦测的概率。本发明能够为节点间通信提供更加安全可靠的传输路径。

Description

一种基于定向天线的移动自组网络安全转发路径选择方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更特别地说，是指一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法。该路径选择方法实现了在不安全网络环境中节点通信的隐蔽性。

背景技术

在不安全的ad hoc网络环境中，侦测节点期望侦测网络中信息传输节点的物理位置或者相对自身的位置，并以此位置信息作为攻击目标。当侦测节点侦测收到的信号能量足够大时，其就能将传输信号从电子噪声中区分，并掌握信息传输节点的存在位置。因此，在不可信赖的ad hoc网络中，如何才能降低传输被侦测的概率成为亟待解决的问题。

定向天线是指在某一个或某几个特定方向上发射及接收电磁波特别强，而在其它的方向上发射及接收信号则为零或极小的一种天线。利用定向天线能够增加辐射功率的有效利用率，增加保密性、抗干扰能力。

全向天线是指在水平方向图上表现为360度均匀辐射的一种天线，无方向性，能够在任意方向上传输、接收电磁波。

在当前ad hoc网络中，节点配备全向天线，能够基于所有方向进行信息的传递与接收。在这样的网络中，侦测节点与友好节点有同样的机会获取、分析发送信息，网络友好节点被侦测的概率大。

定向天线与全向天线相比，有如下优点：若使用相同的能量，定向天线能够将信息传播更远的距离；若信息传输节点固定，定向天线使用更小的能量即可完成。因此，节点使用定向天线能够缩小信息广播的地理范围，或者减少信息传递经过的节点数目，为降低传输被侦测概率提供了一条解决途径。

发明内容

为了解决现有ad hoc网络中信息传输的不安全性，本发明提供一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法。该路径选择方法是基于定向天线的传输方向性和在该方向上提供较大天线增益的特性，选择一条从源节点到目标节点的安全路径。该方法实现时，第一方面通过发射功率关系式计算任意两个节点间通信的发射功率；第二方面依据侦测概率关系式计算任意两个节点间通信被侦测的概率；第三方面根据路径检测模型计算从源节点到目标节点的一条路径被侦测到的概率；由此可得从源节点到目标节点所有路径的侦测概率，从中选择侦测概率最小的路径作为安全路径，作为信息传递的路径。该路径选择方法解决了在不安全网络中存在的侦测节点非法侦测的问题，降低了信息发送者被侦测节点侦测到的概率，从而提升了网络中节点的安全性、信息传输的可靠性和隐蔽性。本发明在保证节点通信安全性的同时也保证了节点通信质量。

本发明的一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，先对ad hoc网络环境中的各个友好节点采用经度、纬度建立一个具有地理位置信息的ad hoc网络平面图，其特征在于：为了避免A源节点向H目标节点传输消息被侦测节点所探测到，采用了下述的处理步骤进行消息的传输：

第一步，计算任意两个友好节点通信需要的发射功率

B友好节点向C友好节点进行信息传输时，设B友好节点与C友好节点之间的距离记为d，使用发射功率关系式获得B友好节点与C友好节点之间通信需要的发射功率P_B→C；

该发射功率关系式为：

P_B→C＝10×log₁₀(R)+n×10×log₁₀(d)+k+10×log₁₀(T)-G_t-27.55+20×log₁₀(f)+λ，式中，R表示传输速率，d表示任意两个友好节点间的距离，k表示玻尔兹曼常量，T表示外界环境噪声和天线工作噪声，G_t表示天线增益，f表示天线频率，λ表示传输误码率的阈值，阈值λ的取值范围通常为10^-3～10^-9，n表示地形参数；

第二步，计算任意两个友好节点间通信被侦测到的概率

(A)采用侦测概率关系式解析出B友好节点向C友好节点传输消息时被侦测节点DA侦测到的概率DP_B→C(DA)；

侦测概率关系式 ${\mathrm{DP}}_{B\→C}\left(\mathrm{DA}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{K+G_t\left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\γ}}{{\log }_{10}d}>2,d\≤\mathrm{LS}\\ \frac{K+G_t\left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\γ}}{{\log }_{10}d}>n,d>\mathrm{LS}\end{array}\right.,$ 式中，K＝P_t+256.15-20×log₁₀(f)-10×log₁₀(T)+10×log₁₀(BW)，BW表示侦测节点DA侦测时使用的频率，G_t(θ)表示侦测节点DA方向的天线增益，θ表示B友好节点与侦测节点DA的连线、以及B友好节点与C友好节点的连线的夹角，γ表示信噪比的阈值，阈值γ的取值通常为5；

同理，B友好节点向C友好节点传输消息时被其它任意侦测节点侦测到的概率记为DP_B→C(DX)，DX表示任意侦测节点；

(B)采用侦测概率关系式解析出B友好节点向C友好节点传输消息时被ad hoc网络环境中M个侦测节点侦测到的概率TDP_B→C，简称为节点间侦测概率 ${\mathrm{TDP}}_{B\→C}=1-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{DP}}_{B\→C}\left(D_i\right)),$ M表示侦测节点的个数，DP_B→C(D_i)表示被任意侦测节点D_i侦测的概率，任意侦测节点D_i中的i表示侦测节点的标记号；

第三步，采用路径检测模型RP_S…T＝1-∏(1-TDP_i→j)计算从源节点S到目标节点T的一条路径被侦测到的概率；

A友好节点经B友好节点、C友好节点后到达H友好节点的这条路径称为A→B→C→H路径；

依据路径检测模型RP_S…T＝1-∏(1-TDP_i→j)，则A→B→C→H路径被侦测的概率是RP_ABCH＝1-(1-TDP_A→B)×(1-TDP_B→C)×(1-TDP_C→H)，TDP_A→B表示A友好节点向B友好节点传输信息时被侦测的概率，TDP_B→C表示B友好节点向C友好节点传输信息时被侦测的概率，TDP_C→H表示C友好节点向H友好节点传输信息时被侦测的概率；

第四步，安全转发路径获取

依据路径检测模型RP_S…T＝1-∏(1-TDP_i→j)对ad hoc网络环境中从源节点S到目标节点T的所有路径进行遍历得到具有最小被侦测概率的一条路径，该路径称为安全转发路径；按此路径调整天线方向和发射功率进行信息传输。

本发明的一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法的优点在于：

(1)该发明中的安全转发路径选择方法解决了被侦测节点非法侦测的问题，降低了信息发送者被侦测节点侦测到的概率，从而提升了网络中节点的安全性、信息传输的可靠性和隐蔽性；

(2)本发明中引入定向天线，利用定向天线的方向性减小了无线信号传播的空间覆盖范围；利用定向天线在其传播主方向上提供较大天线增益的特性，降低了节点通信时消耗的能量，提升了节点的使用寿命；

(3)本发明一方面保证了节点通信的安全性，一方面也保证了节点间通信质量，本发明中的发射功率关系式可以保证节点间通信的误码率小于用户设定的阈值；

(4)本发明将节点间通信所需要的发射功率和通信被侦测节点侦测到的概率进行了数学量化，分别建立了具有普适性的发射功率关系式和侦测概率关系式，以此便捷地获取具有最小被侦测概率的信息传输安全路径。

附图说明

图1是本发明基于定向天线的ad hoc网络安全路由算法的整体流程图。

图2是本发明ad hoc网络平面示意图。

图3是使用全向天线转发通信，定向天线直接通信，本发明中安全转发路径选择方法转发通信的侦测概率对比图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，首先对adhoc网络环境中的各个友好节点采用经度、纬度表示，建立一个具有地理位置信息的ad hoc网络平面图，如图2所示。

在本发明中，经度用x表示，纬度用y表示，则有ad hoc网络环境中的任意一个节点i的位置表示为i(x_i，y_i)。

在本发明中，图2所示的ad hoc网络平面图中的A友好节点的位置表示为A(x_A，y_A)，H友好节点的位置表示为H(x_H，y_H)。为了实现A友好节点向H友好节点传输消息，也可以将A友好节点称作源节点，H友好节点称作目标节点。

对于图2所示中的DA侦测节点是一个入侵的节点，DA侦测节点的位置表示为DA(x_DA，y_DA)。

参见图1、图2所示，为了避免A源节点向H目标节点传输消息被侦测节点(DA侦测节点、DB侦测节点、DC侦测节点或DD侦测节点)所探测到，本发明人采用了下述的处理步骤进行消息的传输，从而实现安全路由。

第一步，计算任意两个友好节点通信需要的发射功率

在本发明中，B友好节点向C友好节点进行信息传输时，设B友好节点与C友好节点之间的距离记为d，使用发射功率关系式获得B友好节点与C友好节点之间通信需要的发射功率P_B→C。

发射功率关系式为：

P_B→C＝10×log₁₀(R)+n×10×log₁₀(d)+k+10×log₁₀(T)-G_t-27.55+20×log₁₀(f)+λ，式中，R表示传输速率，d表示任意两个友好节点间的距离，k表示玻尔兹曼常量，T表示外界环境噪声和天线工作噪声，G_t表示天线增益，f表示天线频率，λ表示传输误码率的阈值，阈值λ的取值范围通常为10^-3～10^-9，n表示地形参数，该地形参数是以视线距离LS来标定的，将视线距离LS＞1000m的情况下地形参数记为2.5，视线距离300m≤LS≤1000m的情况下地形参数记为4.0，视线距离200m≤LS＜300m的情况下地形参数记为5.0，视线距离LS＜200m的情况下地形参数记为6.0。

任意两个友好节点之间通信所需的发射功率记为P_i→j。

第二步，计算任意两个友好节点间通信被侦测到的概率

(A)采用侦测概率关系式解析出B友好节点向C友好节点传输消息时被侦测节点DA侦测到的概率DP_B→C(DA)。

侦测概率关系式 ${\mathrm{DP}}_{B\→C}\left(\mathrm{DA}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{K+G_t\left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\γ}}{{\log }_{10}d}>2,d\≤\mathrm{LS}\\ \frac{K+G_t\left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\γ}}{{\log }_{10}d}>n,d>\mathrm{LS}\end{array}\right.,$ 式中

K＝P_t+256.15-20×log₁₀(f)-10×log₁₀(T)+10×log₁₀(BW)，

BW表示侦测节点DA侦测时使用的频率，

G_t(θ)表示侦测节点DA方向的天线增益，

θ表示B友好节点与侦测节点DA的连线、以及B友好节点与C友好节点的连线的夹角，

γ表示信噪比的阈值，阈值γ的取值通常为5。

同理，B友好节点向C友好节点传输消息时被其它任意侦测节点侦测到的概率记为DP_B→C(DX)，DX表示任意侦测节点。

(B)采用侦测概率关系式解析出B友好节点向C友好节点传输消息时被ad hoc网络环境中M个侦测节点侦测到的概率TDP_B→C，简称为节点间侦测概率 ${\mathrm{TDP}}_{B\→C}=1-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-{\mathrm{DP}}_{B\→C}\left(D_i\right)),$ M表示侦测节点的个数，DP_B→C(D_i)表示被任意侦测节点D_i侦测的概率，任意侦测节点D_i中的i表示侦测节点的标记号。

在本发明中，计算任意两个友好节点之间通信时被ad hoc网络环境中所有侦测节点侦测到的概率TDP_i→j，简称为任意节点间侦测概率TDP_i→j。

第三步，采用路径检测模型RP_S…T＝1-∏(1-TDP_i→j)计算从源节点S到目标节点T的一条路径被侦测到的概率；

如图1所示，A友好节点经B友好节点、C友好节点后到达H友好节点的这条路径称为A→B→C→H路径。

依据路径检测模型RP_S…T＝1-∏(1-TDP_i→j)，则A→B→C→H路径被侦测的概率是RP_ABCH＝1-(1-TDP_A→B)×(1-TDP_B→C)×(1-TDP_C→H)，

TDP_A→B表示A友好节点向B友好节点传输信息时被侦测的概率，

TDP_B→C表示B友好节点向C友好节点传输信息时被侦测的概率，

TDP_C→H表示C友好节点向H友好节点传输信息时被侦测的概率。

第四步，安全转发路径获取

依据路径检测模型RP_S…T＝1-∏(1-TDP_i→j)对ad hoc网络环境中从源节点S到目标节点T的所有路径进行遍历得到具有最小被侦测概率的一条路径，该路径称为安全转发路径。按此路径调整天线方向和发射功率进行信息传输。

在同一个ad hoc网络环境中，分别使用全向天线转发通信，定向天线直接通信和本发明中安全转发路径选择方法转发通信时，在不同的侦测节点密度的情况下通信被侦测到的概率，如图3所示。该图显示随着整个网络中的侦测节点不断增多，任何通信方式下节点通信被侦测的概率都逐渐增大。因为随着整个网络中的侦测节点不断增多，侦测节点的分布越来越均匀，因此任意两个友好节点之间通信被发现的概率也不断增大，因此通过其它友好节点的转发通信被发现的概率也在增大。同时该图也显示了在三种方式中使用定向天线通过本发明中的安全转发路径选择方法(称为MinDP)进行通信的侦测概率是最低的，即本发明最大限度地保证了通信的安全。

本发明公开了一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，首先建立ad hoc网络平面图，获得友好节点信息，然后计算任意两个节点间通信的发射功率，以及任意两个节点间直接通信被侦测的概率，并且计算从源节点到目标节点的一条转发路径被侦测到的概率，从而计算得到从源节点到目标节点所有路径的侦测概率，从中选择侦测概率最小的路径作为安全路径，即信息传递的路径，并按照此路径调整节点天线方向、发射功率从而发送数据。此方法解决了在有侦测节点的不安全网络中信息可靠发送的问题，提升了友好节点的安全性和隐蔽性，降低了被侦测节点侦测的概率。本发明能够为节点间通信提供更加安全可靠的传输路径。

Claims (5)

1、一种基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，先对ad hoc网络环境中的各个友好节点采用经度、纬度建立一个具有地理位置信息的ad hoc网络平面图，其特征在于：为了避免A源节点向H目标节点传输消息被侦测节点所探测到，采用了下述的处理步骤进行消息的传输：

第一步，计算任意两个友好节点通信需要的发射功率

B友好节点向C友好节点进行信息传输时，设B友好节点与C友好节点之间的距离记为d，使用发射功率关系式获得B友好节点与C友好节点之间通信需要的发射功率P_B→C；

该发射功率关系式为：P_B→C＝10×log₁₀(R)+n×10×log₁₀(d)+k+10×log₁₀(T)-G_t-27.55+20×log₁₀(f)+λ，式中，R表示传输速率，d表示任意两个友好节点间的距离，k表示玻尔兹曼常量，T表示外界环境噪声和天线工作噪声，G_t表示天线增益，f表示天线频率，λ表示传输误码率的阈值，阈值λ的取值范围通常为10^-3～10^-9，n表示地形参数；

第二步，计算任意两个友好节点间通信被侦测到的概率

(A)采用侦测概率关系式解析出B友好节点向C友好节点传输消息时被侦测节点DA侦测到的概率DP_B→C(DA)；

侦测概率关系式 $D{P}_{B\→C}\left(\mathrm{DA}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{K+G_t\left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\γ}}{{\log }_{10}d}>2,d\≤\mathrm{LS}\\ \frac{K+G_t\left(\mathrm{\θ}\right)-\mathrm{\γ}}{{\log }_{10}d}>n,d>\mathrm{LS}\end{array}\right.,$ 式中，K＝P_t+256.15-20×log₁₀(f)-10×1og₁₀(T)+10×1og₁₀(BW)，BW表示侦测节点DA侦测时使用的频率，G_t(θ)表示侦测节点DA方向的天线增益，θ表示B友好节点与侦测节点DA的连线、以及B友好节点与C友好节点的连线的夹角，γ表示信噪比的阈值，阈值γ的取值通常为5；

同理，B友好节点向C友好节点传输消息时被其它任意侦测节点侦测到的概率记为DP_B→C(DX)，DX表示任意侦测节点；

(B)采用侦测概率关系式解析出B友好节点向C友好节点传输消息时被ad hoc网络环境中M个侦测节点侦测到的概率TDP_B→C，简称为节点间侦测概率 $\mathrm{TD}{P}_{B\→C}=1-\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-D{P}_{B\→C}\left(D_i\right)),$ M表示侦测节点的个数，DP_B→C(D_i)表示被任意侦测节点D_i侦测的概率，任意侦测节点D_i中的i表示侦测节点的标记号；

第三步，采用路径检测模型RP_S…T＝1-П(1-TDP_i→j)计算从源节点S到目标节点T的一条路径被侦测到的概率；

A友好节点经B友好节点、C友好节点后到达H友好节点的这条路径称为A→B→C→H路径；

依据路径检测模型RP_S…T＝1-П(1-TDP_i→j)，则A→B→C→H路径被侦测的概率是RP_ABCH＝1-(1-TDP_A→B)×(1-TDP_B→C)×(1-TDP_C→H)，TDP_A→B表示A友好节点向B友好节点传输信息时被侦测的概率，TDP_B→C表示B友好节点向C友好节点传输信息时被侦测的概率，TDP_C→H表示C友好节点向H友好节点传输信息时被侦测的概率；

第四步，安全转发路径获取

依据路径检测模型RP_S…T＝1-П(1-TDP_i→j)对ad hoc网络环境中从源节点S到目标节点T的所有路径进行遍历得到具有最小被侦测概率的一条路径，该路径称为安全转发路径；按此路径调整天线方向和发射功率进行信息传输。

2、根据权利要求1所述的基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，其特征在于：地形参数n是以视线距离LS来标定的，将视线距离LS＞1000m的情况下地形参数记为2.5，视线距离300m≤LS≤1000m的情况下地形参数记为4.0，视线距离200m≤LS＜300m的情况下地形参数记为5.0，视线距离LS＜200m的情况下地形参数记为6.0。

3、根据权利要求1所述的基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，其特征在于：根据第一步的处理方式能够获得任意两个友好节点之间通信所需的发射功率记为P_i→j。

4、根据权利要求1所述的基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，其特征在于：根据第二步的处理方式能够获得计算任意两个友好节点之间通信时被ad hoc网络环境中所有侦测节点侦测到的概率TDP_i→j，简称为任意节点间侦测概率TDP_i→j。

5、根据权利要求1所述的基于定向天线的ad hoc网络安全转发路径选择方法，其特征在于：该ad hoc网络安全转发路径的选择应用了定向天线的方向性。

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