CN105050080A - 一种源位置隐私保护协议中节点发射功率自适应控制方法 - Google Patents

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Abstract

无线传感器网络(WSN)中的位置隐私保护旨在保护网络中节点位置的隐私安全，避免攻击者在获取了节点位置信息后对监测对象的安全造成威胁。考虑到传感器节点相当有限的能量储备，本发明提出一种源节点位置隐私保护协议中动态改变节点发射半径的控制方法，在路由过程中，节点根据自已的邻居节点个数、剩余能量以及到基站的距离自适应动态调节发送距离，打破以往的传输距离为一跳的数据包转发方式。该方法可以在提供安全保护的同时，有效利用网络中的剩余能量，实现网络寿命与能耗的均衡。

Description

一种源位置隐私保护协议中节点发射功率自适应控制方法
技术领域
本发明涉及一种源位置隐私保护协议中节点发射功率自适应控制方法，属于无线传感器网络应用领域。
背景技术
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)由普通传感器节点(Node)和基站(也叫汇聚节点，SinkNode)组成，集感知、通信和数据处理于一体，扩展了人们的信息获取能力。在目标追踪和监测型WSN应用中，源节点位置的暴露将严重威胁到监测对象的安全。例如，大量的传感器节点部署在野外监测珍稀动物或者散布于战场获得军队的实时消息。动物的位置不能被偷猎者获知，军队的位置不能被敌军掌握。因此，源节点的物理位置隐私保护成了一个值得研究的问题。
由于传感器节点通常使用电池供电，节点尺寸、计算能力、存储空间和能量资源等都受到限制。数据包发送能耗也远远大于计算能耗，传感器节点发送1bit数据消耗的能量可以被用来执行3000条计算指令。因此，在网络运行过程中如何节省能量，从而最大限度地提高网络生命周期，是在设计安全策略的同时需要兼顾的问题。
现有研究成果存在种种缺陷，如幻影源节点得不到很好的分散；且如果无线传感器网络是均匀分布的，每个节点等概率的从候选的邻节点中随机选择下一跳节点，那么幻影源会高度集中于以真实源为圆心，以h为半径的圆上。对于有一定记忆能力的攻击者，一旦发现了这个规律，定位真实源位置就变得轻而易举。另外，h跳洪泛过程中产生的大量数据会给系统带来较重负载，会缩短网络生命周期。
附图说明
图1为本发明的方法工作流程图。
图2为攻击者侦听范围示意图。
发明内容
本发明提出一种源位置隐私保护协议中节点发射功率自适应控制方法，旨在解决现有技术存在的问题。该方法包括下列步骤：
(1)将传感器网络以基站B为中心，划分为宽为r的m个层次，其中第一层为热区，其它层为非热区，记每一层为ci，i为正整数且i≤m；
(2)计算热区节点死亡前网络还能发送的数据轮数TL，TL满足其中NH表示热区内节点总数目，Esk表示热区节点k的剩余能量，且k＝1,2,…,NH，l表示节点在距离d上发送的数据量，单位为bit，Eelec表示接收/发射电路中接收/发射每比特信号所消耗的能量，εfs为各节点的发射放大电路在单位面积内传播每比特信号所消耗的能量；
(3)计算在TL－1轮数据发送过程中各层承担的能量消耗Eci，其中NNH表示非热区内节点总数目，Nrec表示ci层接收的数据量,Ntr表示ci层需要发送的数据量，变量j表示数据量的累加量，Erec表示各节点的接收电路消耗的能量，Etr表示各节点的发射电路消耗的能量，且Erec(k)＝l·Eelec， E t r ( l , d ) = { l &CenterDot; E e l e c + l &CenterDot; &epsiv; f s &CenterDot; d 2 , d < d 0 l &CenterDot; E e l e c + l &CenterDot; &epsiv; a m p &CenterDot; d 4 , d &GreaterEqual; d 0 , 其中εamp是发送放大器系数，d0是距离阈值。
(4)计算各节点用于本轮发射的最大能量Emax，Emax＝Esi-Eci/Nci，Esi表示非热区节点的剩余能量，NCi表示各层节点数目；
(5)由以上步骤可求得本轮最大发送距离dMAX；
(6)确定调整后的发射半径d′。当节点处于热区时，d′＝min{r,dadjust,dMAX}；当节点处于非热区时,d′＝min{dadjust,dMAX}，其中
dadjust为节点调整后的发射半径，为网络中所有节点的平均邻居节点个数，nb为节点的邻居节点个数，Ecurrent为节点当前能量，Eorigin为节点初始能量，μ、λ为调节因子，且μ+λ＝1。
该方法在具有较高隐私保护能力的同时保证较高的网络寿命。在数据包转发过程中，节点依据剩余能量动态调整发射半径，并保证自己不会比热区节点先死亡的前提下进行。节点能够根据自身情况灵活调整发射半径，加大攻击难度。在提供安全保护的同时，有效利用了网络的剩余能量。
具体实施方式
本发明的核心在于在路由过程中动态维护节点的发射半径，如图2所示，假设攻击者从基站反向追踪到了A节点，在A位置侦听r范围内的数据包流量，以期待能继续反向追踪直到源节点。当节点D向节点A转发数据包M1时，因为节点D在攻击者的r范围内，所以攻击者可以通过数据包流量分析追踪到节点D。而当节点C向节点A发送数据包M2时，由于节点C不在攻击者的侦听范围内，所以攻击者不能通过流量分析进行下一步追踪，于是不得不在节点A等待更长的时间。这为数据源节点提供了更长的安全时间。
根据上述分析，提出了本发明，即一种源位置隐私保护协议中节点发射功率自适应控制方法，图2给出了该方法的具体流程，具体步骤如下：
(1)将传感器网络以基站B为中心，划分为宽为r的m个层次，其中第一层为热区，其它层为非热区，记每一层为ci，i为正整数，i≤m；
(2)计算热区节点死亡前网络还能发送的数据轮数TL，TL满足其中NH表示热区内节点总数目，Esk表示热区节点k的剩余能量，且k＝1,2,…,NH，l表示节点在距离d上发送数据量，Eelec表示接收/发射电路中接收/发射每比特信号所消耗的能量，εfs为各节点的发射放大电路在单位面积内传播每比特信号所消耗的能量；
(3)计算在TL－1轮数据发送过程中各层承担的能量消耗Eci，其中NNH表示非热区内节点总数目，Nrec表示ci层接收的数据量,Ntr表示ci层需要发送的数据量，Erec表示各节点的接收电路消耗的能量，Etr表示各节点的发射电路消耗的能量，且Erec(k)＝l·Eelec， E t r ( l , d ) = { l &CenterDot; E e l e c + l &CenterDot; &epsiv; f s &CenterDot; d 2 , d < d 0 l &CenterDot; E e l e c + l &CenterDot; &epsiv; a m p &CenterDot; d 4 , d &GreaterEqual; d 0 , εfs，εamp为各节点的发射放大电路在单位面积内传播每比特信号所消耗的能量，d0是距离阈值，由此确定最大距离dMAX；
(4)计算各节点用于本轮发射的最大能量Emax，Emax＝Esi-Eci/Nci，Esi表示非热区节点的剩余能量，NCi表示各层节点数目；
(5)确定调整后的发射半径d′，当节点处于热区时，d′＝min{r，dadjust，dMAX}；当节点处于非热区时,d′＝min{dadjust，dMAX}，其中
的发射半径，为网络中所有节点的平均邻居节点个数，nb为某节点的邻居节点个数，Ecurrent为节点当前能量，Eorigin为节点初始能量，μ、λ为调节因子，且μ+λ＝1。
在发射功率不受限制的情况下，要延长通信距离，将需要成指数地加大发射功率。一旦功率增大，节点能耗就会增大，基站附近的节点提前死亡的可能性就越大。所以节点的发射距离受多方面控制。本发明在dadjust的基础上通过节点能耗模型进一步计算它的最大发射半径，并将其应用到WSN中源节点位置隐私保护协议的数据包转发过程中。
就整个网络而言，对于某次特定的数据发送过程，从源节点到幻影节点，然后经过圆周路由再到达基站，该路径上的所有节点是相关联的，每一个节点发射半径的选取会在一定程度上影响到该路径上的其他节点。越靠近基站的节点，发射距离的选取范围越小，因为有可能节点到基站的距离小于dMAX。

Claims (1)

1.一种源位置隐私保护协议中节点发射功率自适应控制方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：
(1)将传感器网络以基站B为中心，划分为宽为r的m个层次，其中第一层为热区，其它层为非热区，记每一层为ci，i为正整数且i≤m；
(2)计算热区节点死亡前网络还能发送的数据轮数TL，TL满足其中NH表示热区内节点总数目，Esk表示热区节点k的剩余能量，且k＝1,2,…,NH，l表示节点在距离d上发送的数据量，单位为bit，Eelec表示接收/发射电路中接收/发射每比特信号所消耗的能量，εfs为各节点的发射放大电路在单位面积内传播每比特信号所消耗的能量；
(3)计算在TL－1轮数据发送过程中各层承担的能量消耗Eci，
其中NNH表示非热区内节点总数目，Nrec表示ci层接收的数据量,Ntr表示ci层需要发送的数据量，变量j表示数据量的累加量，Erec表示各节点的接收电路消耗的能量，Etr表示各节点的发射电路消耗的能量，且Erec(k)＝l·Eelec， E t r ( l , d ) = { l &CenterDot; E e l e c + l &CenterDot; &epsiv; f s &CenterDot; d 2 , d < d 0 l &CenterDot; E e l e c + l &CenterDot; &epsiv; a m p &CenterDot; d 4 , d &GreaterEqual; d 0 , 其中εamp是发送放大器系数，d0是距离阈值。
(4)计算各节点用于本轮发射的最大能量Emax，Emax＝Esi-Eci/Nci，Esi表示非热区节点的剩余能量，NCi表示各层节点数目；
(5)由以上步骤可求得本轮最大发送距离dMAX；
(6)确定调整后的发射半径d′。当节点处于热区时，d′＝min{r,dadjust,dMAX}；当节点处于非热区时,d′＝min{dadjust,dMAX}，其中
dadjust为节点调整后的发射半径，nb为网络中所有节点的平均邻居节点个数，nb为节点的邻居节点个数，Ecurrent为节点当前能量，Eorigin为节点初始能量，μ、λ为调节因子，且μ+λ＝1。
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