任軍利

摘 要： 為了提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的隱私安全保護(hù)能力，針對(duì)當(dāng)前的動(dòng)態(tài)路由沖突重整隱私保護(hù)路由算法的鏈路開(kāi)銷過(guò)大和輸出誤碼較高等問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的基于隱私保護(hù)的WSN路由算法。首先構(gòu)建WSN的路由鏈路信道模型，然后采用時(shí)隙調(diào)度方法進(jìn)行隱私保護(hù)控制協(xié)議設(shè)計(jì)，結(jié)合WSN的能量量化均衡控制實(shí)現(xiàn)WSN路由算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明，該路由算法能提高WSN的隱私保護(hù)能力，網(wǎng)絡(luò)輸出碼元的誤碼能得到有效抑制，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ嫘浴?/p>

關(guān)鍵詞： 隱私保護(hù)； WSN； 路由算法； 協(xié)議設(shè)計(jì)； 網(wǎng)絡(luò)輸出碼元

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）18?0058?04

WSN routing algorithm based on privacy protection

REN Junli

（Shaanxi University of Science & Technology， Xian 710021， China）

Abstract： In order to improve the privacy protection ability of wireless sensor networks （WSNs）， an improved WSN routing algorithm based on privacy protection is proposed in this paper to solve the problems of high link cost and high output bit error of the current dynamic routing conflict reforming privacy protection routing algorithm. The routing link channel model of WSN is constructed， and then the slot scheduling method is used to design the privacy protection control protocol， and realize the optimal design of WSN routing algorithm in combination with the energy quantization equalization control of WSN. The results of simulation test show that the routing algorithm can improve the privacy protection ability of WSN， suppress the bit error rate of network output code element effectively， and improve the fidelity of data transmission.

Keywords： privacy protection； WSN； routing algorithm； protocol design； network output code element

0 引 言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種高效的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，它是由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，WSN具有環(huán)境實(shí)用性強(qiáng)、組網(wǎng)簡(jiǎn)單和傳輸安全等性能，而在局域網(wǎng)組件、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)以及智能家居控制等領(lǐng)域受到廣泛的應(yīng)用[1]。由于利用IEEE 802.15.4 MAC等路由協(xié)議進(jìn)行通信組網(wǎng)傳輸，傳感器的每個(gè)簇有一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)（CH）和若干簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)（MN），各個(gè)節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)通過(guò)統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，在利用WSN進(jìn)行隱私信息傳輸時(shí)容易導(dǎo)致隱私泄露，需要進(jìn)行隱私保護(hù)，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性[2]。

研究基于隱私保護(hù)的WSN路由算法是提高WSN隱私保護(hù)性能的關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)的算法研究受到人們的重視。傳統(tǒng)方法主要有混合遺傳進(jìn)化路由算法、動(dòng)態(tài)路由算法[3]和分簇競(jìng)爭(zhēng)合作博弈路由算法等[1]。采用當(dāng)前的WSN路由算法存在鏈路開(kāi)銷過(guò)大和輸出誤碼較高的問(wèn)題，導(dǎo)致隱私保護(hù)性能不好，對(duì)此本文進(jìn)行WSN路由算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)。首先進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)模型分析和信道模型構(gòu)建，然后進(jìn)行路由組網(wǎng)設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行算法仿真測(cè)試，得出有效性結(jié)論。

1 WSN的路由鏈路信道模型

1.1 WSN組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)基于隱私保護(hù)的WSN路由算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要首先分析WSN的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型[4]，進(jìn)行路由協(xié)議設(shè)計(jì)，WSN采用的是CSMA/CA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)區(qū)域設(shè)定為邊長(zhǎng)為M的正方形區(qū)域，將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)子域，把WSN的覆蓋區(qū)域A劃分為W×L個(gè)[22Rc×22Rc]的規(guī)則性網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格的Internet2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一個(gè)無(wú)向圖 ，表示為[EH（s，t）=][（V，E）（s≥1，t≥1）]，在非均勻部署區(qū)域范圍內(nèi)平均有[NWL]個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，基站位于監(jiān)測(cè)區(qū)域中心。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)部署，假設(shè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)[Pc]頂點(diǎn)集與[E=E1?E2?E3]均勻同態(tài)分布。在網(wǎng)絡(luò)連通域進(jìn)行路由周期性收發(fā)，假設(shè)[G1=（V，E）]和[G2=（V′，E′）]都為重連通圖[5]，WSN的根節(jié)點(diǎn)最小支配集分組概率為[P2]，各傳感器節(jié)點(diǎn)收到簇頭生成的[Nf]個(gè)幀（Frame）的測(cè)量值[y=?x]。在n跳后，層和層之間的時(shí)間窗口為[t（n）=[（n-1）Tw，nTw]]，最小競(jìng)爭(zhēng)窗最大值[CWmax，Wmax=2m′×CWmin]，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層傳輸數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)開(kāi)銷為：endprint

[Eresidual=Einitial-E] （1）

式中：[Einitial]表示發(fā)送隊(duì)列的初始能量；[E]表示W(wǎng)SN的動(dòng)態(tài)分層能量開(kāi)銷。記路由引擎ni的轉(zhuǎn)發(fā)控制數(shù)據(jù)包大小為L(zhǎng)i，在WSN的鄰居路由信息表中，構(gòu)建路由表協(xié)議，進(jìn)行WSN的丟包率、重傳次數(shù)等參量控制[6]，發(fā)送隊(duì)列通過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)引擎發(fā)送數(shù)據(jù)包到轉(zhuǎn)發(fā)器，采用單跳鏈路協(xié)議進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)和信道設(shè)計(jì)[7]，由此構(gòu)建WSN 組網(wǎng)流程如圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文路由算法在實(shí)現(xiàn)隱私保護(hù)的性能，以輸出碼元的誤碼率和WSN鏈路數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ媛蕿闇y(cè)試指標(biāo)，進(jìn)行性能分析。實(shí)驗(yàn)采用Matlab仿真進(jìn)行，計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境為Core i3?3220CPU，4 GB內(nèi)存，WSN的節(jié)點(diǎn)數(shù)N=300，WSN的覆蓋區(qū)域?yàn)?00 m[×]100 m，[LACK]=190 b，MAC協(xié)議為IEEE 802.11b，中間IP節(jié)點(diǎn)6 000個(gè)。根據(jù)上述仿真參量設(shè)定，采用不同方法，得到WSN進(jìn)行碼元傳輸?shù)恼`碼對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖4，保真度對(duì)比見(jiàn)圖5。從圖可以明顯得出，采用本文方法的誤碼較低，數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ娑容^高，說(shuō)明該路由算法的隱私保護(hù)性能較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了WSN的隱私保護(hù)路由設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出一種改進(jìn)的基于隱私保護(hù)的WSN路由算法。首先構(gòu)建WSN的路由鏈路信道模型，然后采用時(shí)隙調(diào)度方法進(jìn)行隱私保護(hù)控制協(xié)議設(shè)計(jì)，結(jié)合WSN的能量量化均衡控制實(shí)現(xiàn)WSN路由算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果表明，該路由算法能提高WSN的隱私保護(hù)能力，網(wǎng)絡(luò)輸出碼元的誤碼得到有效抑制，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｕ嫘?，性能?yōu)越于傳統(tǒng)方法。

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