CN105848138B - 一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，移动基站围绕无线传感器网络的中心点移动；移动基站当前位置与中心点之间的距离随时间变化且为随机的。当节点有数据需要发送时，源节点沿网络半径的二个方向发起径向路由，在路由的过程中，数据包存储在路由路径节点的每一个节点上；移动基站移动时，每经过一个节点时停留时间t，并广播查询信息查询是否有需要发往移动基站的数据，通信范围内的传感器节点在收到此广播查询信息后，如果有需要传送给基站的数据，则将存储的数据包全部发给移动基站。该发明方法能有效保护移动基站的位置隐私，减小受到攻击的概率，安全性高，同时在能量消耗，节点所需存储容量上也有较好的性能。

Description

一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法

技术领域

本发明属于无线网络基站隐私保护领域，特别涉及一种即具有数据收集延迟保证与基站位置隐私保护功能的方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量的彼此之间通过多跳无线链路和通信的传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络，可以广泛的运用到工业监测，农业，民用，环境监测，战场，海洋，火灾等各种特殊环境与应用中，被认为是未来的重要物联网络的关键基础技术之一。无线传感器网络研究中存在的一个至关重要的问题是基站的位置隐私保护，基站的隐私保护问题是通过采用合适的方法，让攻击者不能知道基站的位置，从而保护基站不被攻击者攻击，其背景技术论述如下：

基站的隐私保护问题。基站是无线传感器网络的中心，所有传感器节点的感知的数据都需要以送到基站，基站经过分析后，再给网络进行相应的行动。因而，基站是整个网络的心脏，因而，如果受到攻击，则会使整个网络瘫痪，因而有大量的研究在研究如何保护无线传感器网络的基站不受到攻击。但由于基站是整个传感器网络的中心，网络中所有节点产生的数据都需要发送给基站，因而，如果不采用一定的措施，攻击者沿着数据路由的方法也可以达到基站，从而很容易确定基站的位置，进而发起攻击。因而，基站位置的隐私保护是一个具有挑战性的课题。无线传感器网络中基站隐私保护和研究可以分为二类，一类是基站静止不动的网络。一类是基站可以移动的网络。

对于基站不能移动的网络已经有很多的研究了，对于基站不能移动的网络，因为网络为中所有节点的数据都需要传送给基站，基站自然是所有流量的终点。因而，如果不采用一定措施，攻击者很容易依据流量判断出基站的位置。当前，对于这类基站的隐私保护主要采用的方法是：建立多个伪基站的方法。在这类方法中，不仅真实的基站接收网络中所有节点的数据，而且还创建多个虚假的基站，其它所有节点的数据发送真实基站的同时，也发往多个伪基站,从而导致攻击者不能区分真实与虚假基站，从而起到一定的保护作用。但是这类方法存在的问题是网络中的流量增大多倍，从而影响网络寿命。

对于基站移动的网络，由于基站可以移动，因而在基站所在的位置的数据流量会显著的高于其它位置，因而会成为攻击者确定基站位置的标志。但相对于基站位置静止的网络来说，基站的位置会经常移动，因而攻击者确定流量异常高于其它位置需要一定时间，而攻击者确定后，基站可能又已经移走，从而在这种网络中基站的安全性要好于基站静止的网络。这是基站可移动网络好的一面。不好的一方面是由于基站的移动，要让网络中所有节点都知道基站的位置才能发起向基站的路由，因而如何让网络中每个节点都知道基站的位置是相对于基站静止网络所增加的困难。

目前，对于移动基站传感器网络提出的一种隐私保护方法是：基站在网络中随机的移动，节点的数据包产生后存储在节点上，当基站随机移动到节点的通信半径内时，节点再将所存储的数据包发送给基站。这类方法中的好处是基站可以随机的在网络中移动，而节点的数据是基站经过此区域时再发送给基站，因而，任何时候攻击者都难以确定基站的位置。具有很好的基站位置隐私保护能力。但不好的方面是：基站是随机移动的，在导致攻击者不能确定基站位置的同时，基站的随机的随机移动导致基站到达某些位置的时间是不确定的，有些位置可能基站经常达到，而有些位置基站可能长时间不到达，甚至极小位置可能永远不达到，从而导致这些位置节点的数据传送给基站的时间是无法保证的，因而影响其使用。不能适用对于需要全网数据都需要采集的网络，也不能适用于对数据收集有一定时延要求的网络。例如要求定期测量观测区域的温度等家业应用中，如果缺少某些区域，或者某些区域的数据不能周期性的采集就不能做出科学的决策。而这类方法根本不能应用到对延迟敏感的网络。

(2)数据收集的延迟保证。在前面所述，很多应用都需要对节点产生的数据从产生到基站收集到有一定的时延要求，如果超过一定的时延，则数据就变得没有意义了。因而，如何即保证数据收集的时延，又保证基站的位置隐私保护是一个非常有意义，而又非常难的研究。据我们目前的研究所知，还没有类似的研究。

公开号为104994506A的发明专利公开了一种基于攻击者检测的移动基站位置保护方法及系统(申请号：201510427392.4)，所述系统包括若干攻击者检测节点、事件监测节点以及基站，事件监测节点与基站构成第一层网络；攻击者检测节点与基站构成第二层网络；攻击者检测节点检测到攻击者，则所述攻击者检测节点成为报警节点；所述报警节点产生报警消息并发送给基站；距离该报警节点最近的事件监测节点产生假消息诱导攻击者远离基站；基站接收所述报警消息；判断基站是否安全，若基站不安全，则基站移动至远离攻击者的新地点且重新构建网络拓扑；基站安全，则基站静止不动。该专利的核心在于构建主动防御网络，实现过程较为复杂。

因此，有必要设计一种全新的移动基站位置隐私保护方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，该无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法能有效保护移动基站的位置，减小受到攻击的概率，安全性高。

发明的技术解决方案如下：

一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，移动基站围绕无线传感器网络的区域中心点移动，移动基站围绕网络移动一周的时间小于应用要求的数据从产生到被基站收集到的最大延迟；且移动基站当前位置与区域中心点之间的距离随时间变化且为随机的。

设移动基站当前的位置为A(X,Y)，移动基站确定下一个移动的位置A’的方法如下：位置A’有三种可能:(1)位置A的前方一跳的节点；(2)位置A左手方向的位置；(3)位置A右手方向的位置；移动基站选择前方位置作为下一位置A’的概率为ε

分子是移动基站移动一周所需要的跳数，分母是移动基站在一个时间周期内T内能够移动的跳数。在实践中，分母大于分子。

其中R是网络半径，γ是移动基站一跳移动的距离，T是应用要求的数据从产生到被基站收集到的最大延迟。t是移动基站在此位置上停顿的时间。

设移动基站围绕区域中心点沿顺时针方向移动，移动基站如果运行到网络边界，则移动基站以1-ε的概率只选择右手方向的位置移动；如果移动基站距离网络中心小于2γ时，以1-ε的概率只选择左手方向的位置移动，在其它情况移动基站以随机的以1-ε的概率选择右手方向，或者左手方向(即左右方向随机移动)的位置移动；

设移动基站围绕区域中心点沿逆时针方向移动，移动基站如果运行到网络边界，则移动基站以1-ε的概率只选择左手方向的位置移动；如果移动基站距离网络中心小于2γ时，以1-ε的概率只选择右手方向的位置移动，在其它情况移动基站以随机的以1-ε的概率选择右手方向，或者左手方向的位置移动；

移动基站每移动到一个新位置后就停留t时间；每达到t时间后，基站就按上述方法移动到下一个位置。

T的范围为5000-10000s，实例中取值7000s；

前方----表示基站正向前方，选择的节点为所有邻居节点中与该前方夹角最小的节点；

左手方向，简称左方---表示与前方夹角为90°(在前方的基础上逆时针旋转90°)的方向，选择的节点为所有邻居节点中与该左方夹角最小的节点；

右手方向，简称右方--表示与前方夹角为-90°(在前方的基础上顺时针旋转90°)的方向，选择的节点为所有邻居节点中与该右方夹角最小的节点；

当无线传感器网络中的源节点产生数据时，源节点沿网络半径的二个方向发起径向路由，二个方向是指向区域中心点方向和背离区域中心点方向，在路由的过程中，数据包存储在路由路径节点的每一个节点上；移动基站移动时，每经过一个节点时停留时间t,并广播查询信息看是否通信半径内有存储的需要发往移动基站的数据,通信范围内的传感器节点在收到此广播查询信息后，如果有需要传送给基站的数据，则将存储的数据包全部发给移动基站。

t的时间是与应用要求相关，也与T相关，常用的设置为2-12s，一般设定t＝10s。

节点上存储的数据包时间达到最大的上限1.5T时自动被丢弃。

移动基站围绕网络移动一周的时间小于T，从而保证数据包从产生到被基站收集到的实际延迟小于T。因为，移动基站围绕网络转一周的时间小于T，每转一周，所有数据必定被基站收集了，因而数据从产生到被收集的时间小于T。

有益效果

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明方法主要采用如下的方法来保护移动基站的位置隐私并同时保障数据收集的延迟满足应用的延迟要求。(a)移动基站总体上以网络中心为圆心沿圆周方向移动，但在移动的同时，沿网络半径方向上做随机的移动。这样，通过在基站在周向移动以及在半径方向随机移动，从而使得基站的位置不能事先预测，从而使得攻击者不能确定基站的位置，这样就可以保障基站的位置隐私，保障基站的安全性；(b)为了保证基站能够总体在上网络中随机位置出现而又能够保障数据收集的同时具有延迟保证。本以明方法采用当无线传感器网络的节点的数据需要传送给基站时，并不是直接传送给基站。而是采用事先存储在沿网络半径方向的路由上，当基站沿圆周运动与存储数据的路径相交时而获得数据。因而，当源节点产生数据时，源节点沿网络半径的二个方向(向网络中心方向和背离网络中心方向)发起径向路由，在路由的过程中，数据包存储在路由路径节点的每一个节点上。基站在沿圆周运动时，每停留一个停留点时都会停留一定时间t,并广播查询信息看是否通信半径内有存储的需要发往基站的数据,通信范围内的传感器节点可收到此信息后，如果有需要传送给基站的数据，则将存储的数据包全部发给基站，这样数据就能够被基站收集到。(c)由于基站围绕圆周移动一周的时间小于应用要求的数据收集延迟，而基站每移动一周可保证网络上所有数据被收集一次，从而可保证数据收集的延迟满足应用的需求。本发明的创新之处是基站总体上是随机移动的，因而保证其位置不能事先被攻击者计算得到，同时基站在一定时间范围内必定沿网络移动一周，在移动一周后，必定将网络上节点的数据收集一次，从而保证网络数据收集的时延在可控制的范围内。另一个机制是节点的数据沿径向路由，并在路由的过程中存储到路由上的每一个节点，从而保证基站沿圆周移动一周时必定能够将数据收集到。

因而，本发明中，基站在总体上是沿圆周移动，而具体来说是随机的移动。同时，结合数据路由使得数据收集即保证在一定的延迟范围内，又具有好的位置隐私保护能力，具有很好的意义。

附图说明

图1为无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法的原理示意图；

图2为采用不同策略时随着时间运行时间的数据收集成功率对比图；

图3为采用不同策略时节点不同通信半径r下的数据包发送成功率对比图；

图4为采用不同策略时基站在不同移动时间间隔t下的数据成功收集率对比图；

图5为采用不同策略时节点不同通信半径r下的平均数据延迟对比图；

图6为采用不同策略时基站不同移动时间间隔t下的平均数据延迟对比图

图7采用本发明方法时不同基站移动间隔t和运行时间下的数据成功收集率对比图(时间单位为s)。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于一下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

实施例：

如图1，一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，移动基站围绕无线传感器网络的区域中心点移动，移动基站围绕网络移动一周的时间小于应用要求的数据从产生到被基站收集到的最大延迟；且移动基站当前位置与区域中心点之间的距离随时间变化且为随机的。

设移动基站当前的位置为A(X,Y)，移动基站确定下一个移动的位置A’的方法如下：位置A’有三种可能:(1)位置A的前方一跳的节点；(2)位置A左手方向的位置；(3)位置A右手方向的位置；移动基站选择前方位置作为下一位置A’的概率为ε

分子是移动基站移动一周所需要的跳数，分母是移动基站在T内能够移动的跳数。在实践中，分母大于分子。

其中R是网络半径，γ是移动基站一跳移动的距离，T是应用要求的数据从产生到被基站收集到的最大延迟。t是移动基站在此位置上停顿的时间。

设移动基站围绕区域中心点沿顺时针方向移动，移动基站如果运行到网络边界，则移动基站以1-ε的概率只选择右手方向的位置移动；如果移动基站距离网络中心小于2γ时，以1-ε的概率只选择左手方向的位置移动，在其它情况移动基站以随机的以1-ε的概率选择右手方向，或者左手方向(即左右方向随机移动)的位置移动；

设移动基站围绕区域中心点沿逆时针方向移动，移动基站如果运行到网络边界，则移动基站以1-ε的概率只选择左手方向的位置移动；如果移动基站距离网络中心小于2γ时，以1-ε的概率只选择右手方向的位置移动，在其它情况移动基站以随机的以1-ε的概率选择右手方向，或者左手方向的位置移动；

移动基站每移动到一个新位置后就停留t时间；每达到t时间后，基站就按上述方法移动到下一个位置。

T的范围为5000-10000s，实例中取值7000s；

前方----表示基站正向前方，选择的节点为所有邻居节点中与该前方夹角最小的节点；左手方向，简称左方---表示与前方夹角为90°(在前方的基础上逆时针旋转90°)的方向，选择的节点为所有邻居节点中与该左方夹角最小的节点；

右手方向，简称右方--表示与前方夹角为-90°(在前方的基础上顺时针旋转90°)的方向，选择的节点为所有邻居节点中与该右方夹角最小的节点；

当无线传感器网络中的源节点产生数据时，源节点沿网络半径的二个方向发起径向路由，二个方向是指向区域中心点方向和背离区域中心点方向，在路由的过程中，数据包存储在路由路径节点的每一个节点上；移动基站移动时，每经过一个节点时停留时间t,并广播查询信息看是否通信半径内有存储的需要发往移动基站的数据,通信范围内的传感器节点在收到此广播查询信息后，如果有需要传送给基站的数据，则将存储的数据包全部发给移动基站。

t的时间是与应用要求相关，也与T相关，常用的设置为2-12s，一般设定t＝10s。

节点上存储的数据包时间达到最大的上限1.5T时自动被丢弃。

无线传感器网络要求的最大延迟为T,移动基站围绕网络移动一周的时间小于T，从而保证数据包从产生到被基站收集到的最大时延迟小于T。因为，移动基站围绕网络转一周的时间小于T，每转一周，所有数据必定被基站收集了，因而数据从产生到被收集的时间小于T。

与本发明进行效果对比的方法如下：(1)基站完全随机移动方法：这种方法中基站在整个网络中随机移动。这种方法中由于基站出现在哪个位置是完全随机的，因而其安全性高。但是，这种方法的不足是由于基站完全随机，因而导致有可能在相当长的时间内基站没有达到网络某些区域，从而导致这些区域的数据不能被收集。另外，数据的收集延迟无法保证，因而，基站到达某区域的时间，甚至到不到达某区域都是不确定的，因而数据被收集的延迟根本无法得到保证。(3)固定轨迹的方法。这种方法中，基站是沿固定的轨迹移动。在数据收集性能上较好，但安全性最低。攻击者可以预计基站的位置，因而完全不适合于基站位置隐私保护。(3)本发明的方法。本发明的方法基站的移动是半随机的，攻击者也无法知道基站的位置，因而其隐私保护能力与基站完全随机移动方法相同。但对数据收集的性能与固定轨迹方法是相同的，因而本发明的方法兼具了二种方法的优点。

图2详细地展示了数据包的收集成功率的情况,随着网络的运行时间的增加而发生的变化,可看出在固定轨迹M策略中,移动基站在某个时间点数据包的成功发送率达到最高,这是由于基站在此时间移动到了数据包聚集较多的区域。而基站完全随机移动策略中,由于网络中数据包的发送路径和基站的移动轨迹都是完全随机的,从而导致了大量数据包无法被移动基站成功收集到,特别是随着运行时间的增加,网络中数据包的累积,这种现象更为明显。本发明策略提出了基站绕着网络中心作环形移动,又因为传感结点将生成的数据包沿着面向网络中心和背向网络中心两个方向呈放射性传送,因此,基站的移动路线必与放射性路线相交,这样移动基站能有效的将传送的数据包收集到,数据包的成功到达率也随机运行时间的推进也会保持稳定状态。

图3-4给出了节点的通信半径和基站的移动时间间隔对三种策略的数据包的成功发送率影响,可以看出当节点的通信半径和基站的移动时间间隔不同时,本发明策略的数据包的成功发送率都保持在接近1的范围,而基站完全随机移动策略和固定轨迹策略在数据包成功率都只在20％以下,其中基站完全随机移动策略都保持在10％以下。

网络中数据的平均延迟的定义是网络中所有数据到达目的节点的平均时间,也是衡量无线传感器网络性能的重要指标。图5展示了网络中节点在不同的通信半径r下,网络中的平均数据延迟,固定轨迹M策略、基站完全随机移动策略和本发明策略都是随着通信半径r的增大,网络中的平均数据延迟相应的减小。在固定轨迹方法中,由于移动基站只能收集轨迹附近的节点中的有限数据包,因而它的整个网络中的平均数据延迟也相对较大。在基站完全随机移动策略中,数据的发送和基站的移动路径都是完全随机的,因而在整个网络生命周期内,移动基站收集到的有效数据包就极少的,从而导致网络的平均数据延迟特别高。由于本发明策略的数据包成功传输率近乎达到1,所以相比前两种策略,它的平均数据延迟是非常低的。图6表示在基站移动时间间隔不同时三种策略的平均数据延迟,从中可以发现网络的平均数据延迟随着基站的移动时间间隔变大而增大。

图7显示在不同基站移动时间间隔对数据包成功发送率在各个网络运行时间段的影响,从图7中可以看出,在网络运行的初期,移动基站的通信半径内可能并没有在已经存储数据的节点,从而导致数据包的成功发送率并不高。随着网络运行时间的增加,移动基站一直绕着网络中心作环形移动来收集数据,网络中的数据包的成功发送率有显著的提高。近乎达到了1.0。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，其特征在于，移动基站围绕无线传感器网络的区域中心点移动，移动基站围绕网络移动一周的时间小于应用要求的数据从产生到被基站收集到的最大延迟；且移动基站当前位置与区域中心点之间的距离随时间变化且为随机的；

设移动基站当前的位置为A(X,Y)，移动基站确定下一个移动的位置A’的方法如下：位置A’有三种可能:(1)位置A的前方一跳的节点；(2)位置A左手方向的位置；(3)位置A右手方向的位置；移动基站选择前方位置作为下一位置A’的概率为ε

其中R是网络半径，γ是移动基站一跳移动的距离，T是应用要求的数据从产生到被基站收集到的最大延迟；t是移动基站在此位置上停顿的时间；

设移动基站围绕区域中心点沿顺时针方向移动，移动基站如果运行到网络边界，则移动基站以1-ε的概率只选择右手方向的位置移动；如果移动基站距离网络中心小于2γ时，以1-ε的概率只选择左手方向的位置移动，在其它情况移动基站以随机的以1-ε的概率选择右手方向或者左手方向的位置移动；

移动基站每移动到一个新位置后就停留t时间；每达到t时间后，基站就按上述方法移动到下一个位置。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，其特征在于，当无线传感器网络中的源节点产生数据时，源节点沿网络半径的二个方向发起径向路由，二个方向是指向区域中心点方向和背离区域中心点方向，在路由的过程中，数据包存储在路由路径节点的每一个节点上；移动基站移动时，每经过一个节点时停留时间t,并广播查询信息看是否通信半径内有存储的需要发往移动基站的数据,通信范围内的传感器节点在收到此广播查询信息后，如果有需要传送给基站的数据，则将存储的数据包全部发给移动基站。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络中移动基站位置隐私保护方法，其特征在于，节点上存储的数据包时间达到最大的上限1.5T时自动被丢弃。