基于隱私保護的WSN路由算法

任軍利

摘 要： 為了提高無線傳感器網絡（WSN）的隱私安全保護能力，針對當前的動態路由沖突重整隱私保護路由算法的鏈路開銷過大和輸出誤碼較高等問題，提出一種改進的基于隱私保護的WSN路由算法。首先構建WSN的路由鏈路信道模型，然后采用時隙調度方法進行隱私保護控制協議設計，結合WSN的能量量化均衡控制實現WSN路由算法優化設計。最后進行仿真測試，結果表明，該路由算法能提高WSN的隱私保護能力，網絡輸出碼元的誤碼能得到有效抑制，提高數據傳輸的保真性。

關鍵詞： 隱私保護； WSN； 路由算法； 協議設計； 網絡輸出碼元

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 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

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是一種高效的自組織網絡結構模型，它是由分布在監測區域的傳感器節點通過網絡協議進行組網設計，WSN具有環境實用性強、組網簡單和傳輸安全等性能，而在局域網組件、物聯網設計以及智能家居控制等領域受到廣泛的應用[1]。由于利用IEEE 802.15.4 MAC等路由協議進行通信組網傳輸，傳感器的每個簇有一個簇頭節點（CH）和若干簇內節點（MN），各個節點在監測區域內通過統一的計算機進行網絡控制，在利用WSN進行隱私信息傳輸時容易導致隱私泄露，需要進行隱私保護，提高網絡的安全性[2]。

研究基于隱私保護的WSN路由算法是提高WSN隱私保護性能的關鍵技術，相關的算法研究受到人們的重視。傳統方法主要有混合遺傳進化路由算法、動態路由算法[3]和分簇競爭合作博弈路由算法等[1]。采用當前的WSN路由算法存在鏈路開銷過大和輸出誤碼較高的問題，導致隱私保護性能不好，對此本文進行WSN路由算法的改進設計。首先進行了網絡模型分析和信道模型構建，然后進行路由組網設計，最后進行算法仿真測試，得出有效性結論。

1 WSN的路由鏈路信道模型

1.1 WSN組網網絡模型設計

為了實現基于隱私保護的WSN路由算法優化設計，需要首先分析WSN的組網結構模型[4]，進行路由協議設計，WSN采用的是CSMA/CA組網結構模型，設無線傳感器網絡的組網區域設定為邊長為M的正方形區域，將網絡劃分成多個子域，把WSN的覆蓋區域A劃分為W×L個[22Rc×22Rc]的規則性網格，每個網格的Internet2拓撲結構為一個無向圖 ，表示為[EH（s，t）=][（V，E）（s≥1，t≥1）]，在非均勻部署區域范圍內平均有[NWL]個Sink節點，基站位于監測區域中心。根據網絡節點的能耗優化結構設計需求，進行節點部署，假設簇內節點[Pc]頂點集與[E=E1?E2?E3]均勻同態分布。在網絡連通域進行路由周期性收發，假設[G1=（V，E）]和[G2=（V′，E′）]都為重連通圖[5]，WSN的根節點最小支配集分組概率為[P2]，各傳感器節點收到簇頭生成的[Nf]個幀（Frame）的測量值[y=?x]。在n跳后，層和層之間的時間窗口為[t（n）=[（n-1）Tw，nTw]]，最小競爭窗最大值[CWmax，Wmax=2m′×CWmin]，無線傳感器網絡的數據鏈路層傳輸數據的隱私保護開銷為：endprint

[Eresidual=Einitial-E] （1）

式中：[Einitial]表示發送隊列的初始能量；[E]表示WSN的動態分層能量開銷。記路由引擎ni的轉發控制數據包大小為Li，在WSN的鄰居路由信息表中，構建路由表協議，進行WSN的丟包率、重傳次數等參量控制[6]，發送隊列通過路由轉發引擎發送數據包到轉發器，采用單跳鏈路協議進行路由轉發和信道設計[7]，由此構建WSN 組網流程如圖1所示。

3 實驗測試結果分析

為了驗證本文路由算法在實現隱私保護的性能，以輸出碼元的誤碼率和WSN鏈路數據傳輸的保真率為測試指標，進行性能分析。實驗采用Matlab仿真進行，計算機仿真環境為Core i3?3220CPU，4 GB內存，WSN的節點數N=300，WSN的覆蓋區域為100 m[×]100 m，[LACK]=190 b，MAC協議為IEEE 802.11b，中間IP節點6 000個。根據上述仿真參量設定，采用不同方法，得到WSN進行碼元傳輸的誤碼對比結果見圖4，保真度對比見圖5。從圖可以明顯得出，采用本文方法的誤碼較低，數據傳輸的保真度較高，說明該路由算法的隱私保護性能較好。

4 結 語

本文研究了WSN的隱私保護路由設計問題，提出一種改進的基于隱私保護的WSN路由算法。首先構建WSN的路由鏈路信道模型，然后采用時隙調度方法進行隱私保護控制協議設計，結合WSN的能量量化均衡控制實現WSN路由算法優化設計。最后進行仿真測試，結果表明，該路由算法能提高WSN的隱私保護能力，網絡輸出碼元的誤碼得到有效抑制，提高數據傳輸的保真性，性能優越于傳統方法。

參考文獻

[1] DIN D R， HUANG J S. Multicast backup reprovisioning problem for Hamiltonian cycle?based protection on WDM networks [J]. Optical fiber technology， 2014， 20（2）： 142?157.

[2] 趙太飛，王文科，劉龍.WDM光網絡中一種優先共享通路保護算法[J].激光技術，2012，36（3）：408?412.

[3] 秦寧寧，余穎華，吳德恩.移動混合傳感網中節點自主部署算法[J].電子與信息學報，2016，38（7）：1838?1842.

[4] 王辛果，張信明，陳國良.時延受限且能量高效的無線傳感網絡跨層路由[J].軟件學報，2011，22（7）：1626?1640.

[5] 陳志，駱平，岳文靜，等.一種能量感知的無線傳感網拓撲控制算法[J].傳感技術學報，2013，26（3）：382?387.

[6] 譚營軍，王俊平.基于MEACO的無線傳感器網絡路由光通信算法研究[J].激光雜志，2016，37（2）：131?133.

[7] KUMAR A， POOJA R， SINGH G K. Design and performance of closed form method for cosine modulated filter bank using different windows functions [J]. International journal of speech technology， 2014， 17（4）： 427?441.

[8] MANIKANDAN L C， SELVAKUMAR R K. A new survey on block matching algorithms in video coding [J]. International journal of engineering research， 2014， 3（2）： 121?125.

[9] 宋明紅，俞華鋒，陳海燕.改進量子進化算法在計算機網絡路由選擇中的應用研究[J].科技通報，2014，30（1）：170?173.endprint