CN113038565A - 一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法 - Google Patents

一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，步骤为：首先，根据网络内节点分布密度进行分簇，分簇结束后在簇内结合能量因素、距离因素选举出最佳的簇头；随后综合中继节点的能量、距离、偏转角规划建立一条由簇头节点通向基站的路径；在数据稳定传输阶段，簇内节点将数据进行切片，随机分发给簇内其他节点，节点将消息重组发送到簇头，簇头首先将数据进行融合、随后沿规划树向基站多跳传递感测结果。本发明，通过合理分簇与选举、簇间规划路由和簇内数据切片重组的方式，优化了网络拓扑、并降低了隐私保护的通信消耗，有效均衡了节点能耗以及保护了节点数据隐私。

Description

一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法
技术领域
本发明属于无线传感器网络路由领域，特别涉及了一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless SensorNetworks,WSN)是一种分布式传感网络，由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。无线传感器网络应用广泛，其应用场景包括入侵检测、气象监测、安全性和战术侦查等。
针对无线传感器网络隐私安全问题，He提出SMART方案，在方案中预设网络内节点分布较为密集，每个传感器节点在单跳范围内随机的选择一组节点集合Si，节点集合的大小为J＝|Si|。随后每个节点将自身的隐私数据随机的切分成J片并将其中的J-1片由密钥加密后分发给节点集合里的其他节点。当这一过程结束时，父节点接收所有节点的数据，然后那所有数据传送至基站。因为SMART是基于求和操作的切分加密方案，所以基站在接收到所有的数据片后，求和并使用统一的密钥解密即得到最终的融合数据值。显然这一方案存在较大的通信开销，虽然相比于CPDA，SMART减少了节点之间的计算量，但当网络内存在大量节点的情况下，切片并发送所带来的通信消耗是显著的。EEHA在SMART基础上对隐私和能耗的平衡进行了尝试，仅对叶子节点做切片从而平衡能耗，叶子节点发送的消息树和SMART相同、而中间节点仅需要发送一条融合消息，叶子节点只占网络的少数、通信量因此降低，但是代价是节点的隐私性大打折扣。
综上所述，如何均衡节点的能量消耗，延长网络的生存周期，并且兼顾节点的隐私安全行，已经成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，包括以下步骤：
1、一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于局部密度以及节点到高密度区域中心点的距离对无线传感器网络进行分簇，然后根据节点到基站的距离和剩余能量综合计算选举出簇头；
(2)按距离基站由远及近的顺序为所有簇头规划簇间路由，选取下一跳路由时综合能力、距离、方向等三个因素；
(3)在簇内数据传输阶段采用先切片后重组的形式进行隐私保护，簇间传输阶段则按照规划路由进行传输
2、根据权利要求1所述一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：
(101)计算节点之间的欧式距离，求出每个节点的局部密度ρ和该节点到高密度区域中心点的距离δi；计算出每个节点的决策值γ，降序排列，选出其中最大的M个峰值节点作为最终的聚类中心集合。决策值公式为：
γi＝ρi·δi (2-1)
(102)计算除峰值节点集合之外的其他节点到峰值节点的相互邻近度A，对每个节点选择相互邻近度最大的峰值节点，加入成簇。公式为：
Ai,j＝degi→j·degj→i (2-2)
其中，deg表示相对邻近度。
(103)重复步骤(102)直到所有节点归簇，至此簇建立完成；
(104)考虑节点到基站的距离和节点的剩余能量选举簇头，公式如下：
Figure BDA0002937157400000031
其中，dtoBS表示节点到基站的距离，
Figure BDA0002937157400000032
表示簇内所有节点到基站距离的均值。当前节点剩余的能量是eres，簇内节点剩余能量均值是
Figure BDA0002937157400000033
节点初始能量是einit。初始时，能量因素没有区别，因此把距离因素作为选择簇头选举的标准，随后每一轮由簇头根据公式(2-3)计算各个节点的
Figure BDA0002937157400000034
值，并取最大值对应的节点作为下一轮的簇头节点，并统计本轮簇内节点的存活数量以及剩余能量情况，为簇间路由的选择提供参考。
3、根据权利要求1所述一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，在步骤(2)中，簇间规划路由时下一跳的评价公式如下：
Figure BDA0002937157400000035
Figure BDA0002937157400000041
其中，SN为源节点、Cchi(i＝1～S)为候选下一跳簇头节点，R表示基站与区域边界的距离，d表示节点与基站的距离，cosθi计算的是源节点到基站连线和源节点到下一跳连线的夹角余弦值，DtoBS(i)为源节点到基站距离、DSC(i)为源节点与下一跳距离、DCtoBS为基站与下一跳的距离。
4、根据权利要求1所述一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，簇内数据传输时的隐私保护的方法如下：
簇内每个成员节点将数据划分成3片并按照概率Pc选取簇内的节点编号，并将数据片依次发送给该编号的节点。当簇内分片与传输结束之后，各个节点将数值传递至簇头节点，簇头节点沿规划树路径将数据传输至基站。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)针对SMART切片方法通信量巨大、能量消耗过快的情况空洞现象。本发明利用簇内切片分发重组的方式，通过合理分簇达到优化通信量的效果，通过簇内切片达到减少计算了的效果，一定程度上降低了能量消耗、保证了节点的数据隐私；
(2)本发明提出的簇间规划路由机制，通过逐步搜索的方式形成从源节点到根节点多跳路径。评价函数的计算涉及到对候选簇头节点的能量因素以及角度因素的考量，使得所建立的路由路径是最小能耗。并且是从全局考虑而非采用贪婪识别，防止陷入局部最优。通过这样的机制保证了选出的路由能够实现全局最优化、更好的均衡节点的能耗
附图说明
图1是本发明的簇间路由中继节点选取示意图；
图2是本发明中多跳路径确立示意图；
图3是本发明中簇内分片示意图；
具体实施方式
容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明基于双层分簇的高能效无线传感器网络拓扑控制方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
一个基于双层分簇的高能效无线传感器网络拓扑控制方法，包括以下步骤：
步骤1：基于局部密度以及节点到高密度区域中心点的距离对无线传感器网络进行分簇，然后根据节点到基站的距离和剩余能量综合计算选举出簇头；
步骤2：按距离基站由远及近的顺序为所有簇头规划簇间路由，选取下一跳路由时综合能力、距离、方向等三个因素，如图1和图2所示；
步骤3：在簇内数据传输阶段采用先切片后重组的形式进行隐私保护，如图3所示，簇间传输阶段则按照规划路由进行传输；
在本实施例中，可以采用如下优选方案实现上述步骤1：
101、计算节点之间的欧式距离，求出每个节点的局部密度ρ和该节点到高密度区域中心点的距离δi；计算出每个节点的决策值γ，降序排列，选出其中最大的M个峰值节点作为最终的聚类中心集合。决策值公式为：
γi＝ρi·δi
102、计算除峰值节点集合之外的其他节点到峰值节点的相互邻近度A，对每个节点选择相互邻近度最大的峰值节点，加入成簇。公式为：
Ai,j＝degi→j·degj→i
其中，deg表示相对邻近度。
103、重复步骤(102)直到所有节点归簇，至此簇建立完成；
104、考虑节点到基站的距离和节点的剩余能量选举簇头，公式如下：
Figure BDA0002937157400000061
其中，dtoBS表示节点到基站的距离，
Figure BDA0002937157400000062
表示簇内所有节点到基站距离的均值。当前节点剩余的能量是eres，簇内节点剩余能量均值是
Figure BDA0002937157400000063
节点初始能量是einit。初始时，能量因素没有区别，因此把距离因素作为选择簇头选举的标准，随后每一轮由簇头根据公式(2-3)计算各个节点的
Figure BDA0002937157400000064
值，并取最大值对应的节点作为下一轮的簇头节点，并统计本轮簇内节点的存活数量以及剩余能量情况，为簇间路由的选择提供参考。
在本实施例中，可以采用如下优选方案实现上述步骤2：
201、簇间规划路由时下一跳的评价公式如下：
Figure BDA0002937157400000065
Figure BDA0002937157400000066
其中，SN为源节点、Cchi(i＝1～S)为候选下一跳簇头节点，R表示基站与区域边界的距离，d表示节点与基站的距离，cosθi计算的是源节点到基站连线和源节点到下一跳连线的夹角余弦值，DtoBS(i)为源节点到基站距离、DSC(i)为源节点与下一跳距离、DCtoBS为基站与下一跳的距离。
在本实施例中，可以采用如下优选方案实现上述步骤3：
301、簇内每个成员节点将数据划分成3片并按照概率Pc选取簇内的节点编号，并将数据片依次发送给该编号的节点。当簇内分片与传输结束之后，各个节点将数值传递至簇头节点，簇头节点沿规划树路径将数据传输至基站。

Claims (4)

1.一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于局部密度以及节点到高密度区域中心点的距离对无线传感器网络进行分簇，然后根据节点到基站的距离和剩余能量综合计算选举出簇头；
(2)按距离基站由远及近的顺序为所有簇头规划簇间路由，选取下一跳路由时综合能量、距离、方向等三个因素；
(3)在簇内数据传输阶段采用先切片后重组的形式进行隐私保护，簇间传输阶段则按照规划路由进行传输。
2.根据权利要求1所述一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程如下：
(101)计算节点之间的欧式距离，求出每个节点的局部密度ρ和该节点到高密度区域中心点的距离δi；计算出每个节点的决策值γ，降序排列，选出其中最大的M个峰值节点作为最终的聚类中心集合。决策值公式为：
γi＝ρi·δi (2-1)
(102)计算除峰值节点集合之外的其他节点到峰值节点的相互邻近度A，对每个节点选择相互邻近度最大的峰值节点，加入成簇。公式为：
Ai,j＝degi→j·degj→i (2-2)
其中，deg表示相对邻近度。
(103)重复步骤(102)直到所有节点归簇，至此簇建立完成；
(104)考虑节点到基站的距离和节点的剩余能量选举簇头，公式如下：
Figure FDA0002937157390000021
其中，dtoBS表示节点到基站的距离，
Figure FDA0002937157390000022
表示簇内所有节点到基站距离的均值。当前节点剩余的能量是eres，簇内节点剩余能量均值是
Figure FDA0002937157390000023
节点初始能量是einit。初始时，能量因素没有区别，因此把距离因素作为选择簇头选举的标准，随后每一轮由簇头根据公式(2-3)计算各个节点的
Figure FDA0002937157390000024
值，并取最大值对应的节点作为下一轮的簇头节点，并统计本轮簇内节点的存活数量以及剩余能量情况，为簇间路由的选择提供参考。
3.根据权利要求1所述一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，在步骤(2)中，簇间规划路由时下一跳的评价公式如下：
Figure FDA0002937157390000025
Figure FDA0002937157390000026
其中，SN为源节点、Cchi(i＝1～S)为候选下一跳簇头节点，R表示基站与区域边界的距离，d表示节点与基站的距离，cosθi计算的是源节点到基站连线和源节点到下一跳连线的夹角余弦值，DtoBS(i)为源节点到基站距离、DSC(i)为源节点与下一跳距离、DCtoBS为基站与下一跳的距离。
4.根据权利要求1所述一个基于簇间规划路由的无线传感器隐私保护路由控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，簇内数据传输时的隐私保护的方法如下：
簇内每个成员节点将数据划分成3片并按照概率Pc选取簇内的节点编号，并将数据片依次发送给该编号的节点。当簇内分片与传输结束之后，各个节点将数值传递至簇头节点，簇头节点沿规划树路径将数据传输至基站。
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