基于隐私保护的WSN路由算法
任军利
摘 要： 为了提高无线传感器网络（WSN）的隐私安全保护能力，针对当前的动态路由冲突重整隐私保护路由算法的链路开销过大和输出误码较高等问题，提出一种改进的基于隐私保护的WSN路由算法。首先构建WSN的路由链路信道模型，然后采用时隙调度方法进行隐私保护控制协议设计，结合WSN的能量量化均衡控制实现WSN路由算法优化设计。最后进行仿真测试，结果表明，该路由算法能提高WSN的隐私保护能力，网络输出码元的误码能得到有效抑制，提高数据传输的保真性。
关键词： 隐私保护； WSN； 路由算法； 协议设计； 网络输出码元
中图分类号： TN915?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 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
無线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种高效的自组织网络结构模型，它是由分布在监测区域的传感器节点通过网络协议进行组网设计，WSN具有环境实用性强、组网简单和传输安全等性能，而在局域网组件、物联网设计以及智能家居控制等领域受到广泛的应用[1]。由于利用IEEE 802.15.4 MAC等路由协议进行通信组网传输，传感器的每个簇有一个簇头节点（CH）和若干簇内节点（MN），各个节点在监测区域内通过统一的计算机进行网络控制，在利用WSN进行隐私信息传输时容易导致隐私泄露，需要进行隐私保护，提高网络的安全性[2]。
研究基于隐私保护的WSN路由算法是提高WSN隐私保护性能的关键技术，相关的算法研究受到人们的重视。传统方法主要有混合遗传进化路由算法、动态路由算法[3]和分簇竞争合作博弈路由算法等[1]。采用当前的WSN路由算法存在链路开销过大和输出误码较高的问题，导致隐私保护性能不好，对此本文进行WSN路由算法的改进设计。首先进行了网络模型分析和信道模型构建，然后进行路由组网设计，最后进行算法仿真测试，得出有效性结论。
1 WSN的路由链路信道模型
1.1 WSN组网网络模型设计
为了实现基于隐私保护的WSN路由算法优化设计，需要首先分析WSN的组网结构模型[4]，进行路由协议设计，WSN采用的是CSMA/CA组网结构模型，设无线传感器网络的组网区域设定为边长为M的正方形区域，将网络划分成多个子域，把WSN的覆盖区域A划分为W×L个[22Rc×22Rc]的规则性网格，每个网格的Internet2拓扑结构为一个无向图 ，表示为[EH（s，t）=][（V，E）（s≥1，t≥1）]，在非均匀部署区域范围内平均有[NWL]个Sink节点，基站位于监测区域中心。根据网络节点的能耗优化结构设计需求，进行节点部署，假设簇内节点[Pc]顶点集与[E=E1?E2?E3]均匀同态分布。在网络连通域进行路由周期性收发，假设[G1=（V，E）]和[G2=（V′，E′）]都为重连通图[5]，WSN的根节点最小支配集分组概率为[P2]，各传感器节点收到簇头生成的[Nf]个帧（Frame）的测量值[y=?x]。在n跳后，层和层之间的时间窗口为[t（n）=[（n-1）Tw，nTw]]，最小竞争窗最大值[CWmax，Wmax=2m′×CWmin]，无线传感器网络的数据链路层传输数据的隐私保护开销为：
[Eresidual=Einitial-E] （1）
式中：[Einitial]表示发送队列的初始能量；[E]表示WSN的动态分层能量开销。记路由引擎ni的转发控制数据包大小为Li，在WSN的邻居路由信息表中，构建路由表协议，进行WSN的丢包率、重传次数等参量控制[6]，发送队列通过路由转发引擎发送数据包到转发器，采用单跳链路协议进行路由转发和信道设计[7]，由此构建WSN 组网流程如图1所示。
3 实验测试结果分析
为了验证本文路由算法在实现隐私保护的性能，以输出码元的误码率和WSN链路数据传输的保真率为测试指标，进行性能分析。实验采用Matlab仿真进行，计算机仿真环境为Core i3?3220CPU，4 GB内存，WSN的节点数N=300，WSN的覆盖区域为100 m[×]100 m，[LACK]=190 b，MAC协议为IEEE 802.11b，中間IP节点6 000个。根据上述仿真参量设定，采用不同方法，得到WSN进行码元传输的误码对比结果见图4，保真度对比见图5。从图可以明显得出，采用本文方法的误码较低，数据传输的保真度较高，说明该路由算法的隐私保护性能较好。
4 结 语
本文研究了WSN的隐私保护路由设计问题，提出一种改进的基于隐私保护的WSN路由算法。首先构建WSN的路由链路信道模型，然后采用时隙调度方法进行隐私保护控制协议设计，结合WSN的能量量化均衡控制实现WSN路由算法优化设计。最后进行仿真测试，结果表明，该路由算法能提高WSN的隐私保护能力，网络输出码元的误码得到有效抑制，提高数据传输的保真性，性能优越于传统方法。
参考文献
[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] 赵太飞，王文科，刘龙.WDM光网络中一种优先共享通路保护算法[J].激光技术，2012，36（3）：408?412.
[3] 秦宁宁，余颖华，吴德恩.移动混合传感网中节点自主部署算法[J].电子与信息学报，2016，38（7）：1838?1842.
[4] 王辛果，张信明，陈国良.时延受限且能量高效的无线传感网络跨层路由[J].软件学报，2011，22（7）：1626?1640.
[5] 陈志，骆平，岳文静，等.一种能量感知的无线传感网拓扑控制算法[J].传感技术学报，2013，26（3）：382?387.
[6] 谭营军，王俊平.基于MEACO的无线传感器网络路由光通信算法研究[J].激光杂志，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] 宋明红，俞华锋，陈海燕.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用研究[J].科技通报，2014，30（1）：170?173.
摘 要： 为了提高无线传感器网络（WSN）的隐私安全保护能力，针对当前的动态路由冲突重整隐私保护路由算法的链路开销过大和输出误码较高等问题，提出一种改进的基于隐私保护的WSN路由算法。首先构建WSN的路由链路信道模型，然后采用时隙调度方法进行隐私保护控制协议设计，结合WSN的能量量化均衡控制实现WSN路由算法优化设计。最后进行仿真测试，结果表明，该路由算法能提高WSN的隐私保护能力，网络输出码元的误码能得到有效抑制，提高数据传输的保真性。
关键词： 隐私保护； WSN； 路由算法； 协议设计； 网络输出码元
中图分类号： TN915?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0058?04
WSN routing algorithm based on privacy protection
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（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
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無线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种高效的自组织网络结构模型，它是由分布在监测区域的传感器节点通过网络协议进行组网设计，WSN具有环境实用性强、组网简单和传输安全等性能，而在局域网组件、物联网设计以及智能家居控制等领域受到广泛的应用[1]。由于利用IEEE 802.15.4 MAC等路由协议进行通信组网传输，传感器的每个簇有一个簇头节点（CH）和若干簇内节点（MN），各个节点在监测区域内通过统一的计算机进行网络控制，在利用WSN进行隐私信息传输时容易导致隐私泄露，需要进行隐私保护，提高网络的安全性[2]。
研究基于隐私保护的WSN路由算法是提高WSN隐私保护性能的关键技术，相关的算法研究受到人们的重视。传统方法主要有混合遗传进化路由算法、动态路由算法[3]和分簇竞争合作博弈路由算法等[1]。采用当前的WSN路由算法存在链路开销过大和输出误码较高的问题，导致隐私保护性能不好，对此本文进行WSN路由算法的改进设计。首先进行了网络模型分析和信道模型构建，然后进行路由组网设计，最后进行算法仿真测试，得出有效性结论。
1 WSN的路由链路信道模型
1.1 WSN组网网络模型设计
为了实现基于隐私保护的WSN路由算法优化设计，需要首先分析WSN的组网结构模型[4]，进行路由协议设计，WSN采用的是CSMA/CA组网结构模型，设无线传感器网络的组网区域设定为边长为M的正方形区域，将网络划分成多个子域，把WSN的覆盖区域A划分为W×L个[22Rc×22Rc]的规则性网格，每个网格的Internet2拓扑结构为一个无向图 ，表示为[EH（s，t）=][（V，E）（s≥1，t≥1）]，在非均匀部署区域范围内平均有[NWL]个Sink节点，基站位于监测区域中心。根据网络节点的能耗优化结构设计需求，进行节点部署，假设簇内节点[Pc]顶点集与[E=E1?E2?E3]均匀同态分布。在网络连通域进行路由周期性收发，假设[G1=（V，E）]和[G2=（V′，E′）]都为重连通图[5]，WSN的根节点最小支配集分组概率为[P2]，各传感器节点收到簇头生成的[Nf]个帧（Frame）的测量值[y=?x]。在n跳后，层和层之间的时间窗口为[t（n）=[（n-1）Tw，nTw]]，最小竞争窗最大值[CWmax，Wmax=2m′×CWmin]，无线传感器网络的数据链路层传输数据的隐私保护开销为：
[Eresidual=Einitial-E] （1）
式中：[Einitial]表示发送队列的初始能量；[E]表示WSN的动态分层能量开销。记路由引擎ni的转发控制数据包大小为Li，在WSN的邻居路由信息表中，构建路由表协议，进行WSN的丢包率、重传次数等参量控制[6]，发送队列通过路由转发引擎发送数据包到转发器，采用单跳链路协议进行路由转发和信道设计[7]，由此构建WSN 组网流程如图1所示。
3 实验测试结果分析
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4 结 语
本文研究了WSN的隐私保护路由设计问题，提出一种改进的基于隐私保护的WSN路由算法。首先构建WSN的路由链路信道模型，然后采用时隙调度方法进行隐私保护控制协议设计，结合WSN的能量量化均衡控制实现WSN路由算法优化设计。最后进行仿真测试，结果表明，该路由算法能提高WSN的隐私保护能力，网络输出码元的误码得到有效抑制，提高数据传输的保真性，性能优越于传统方法。
参考文献
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[9] 宋明红，俞华锋，陈海燕.改进量子进化算法在计算机网络路由选择中的应用研究[J].科技通报，2014，30（1）：170?173.
