无线传感器网络中基于源节点位置隐私保护策略研究

朱 熙

（武汉轻工大学，湖北 武汉 430048）

1 无线传感器网络研究意义

随着网络分布式数据信息处理能力逐渐增强及数据信息融合技术的提升，使得无线传感器网络位置隐私保护能力和数据信息资料采集能力发生质的飞跃。无线传感器网络已经被应用到各个领域中，但是无线传感器网络自身存在一些劣势，如节点数据信息传输受限、拓扑结构不稳定、信息传输路径受阻等，在一定程度上将会阻碍无线传感器网络的自我保护能力发挥，因此安全隐私问题是无线传感器网络面临的严峻挑战[1]。

2 无线传感器网络特点

无线传感器网络作为一种新模式的Ad-hoc网络，其采用大量的数据节点通过一定的应用模式相互之间进行连接，在应用过程中其优势主要有如下5个方面特点。

（1）无确定中心节点。在WSN网络中，由于没有确定的中心节点，网络中的全部数据节点既能够充当数据的收集者，也能够充当数据的传递者，甚至在一定的应用条件下能够成为数据的聚焦节点。

（2）自组织网络。通常，WSN网络主要采用空中抛掷模式进行有效的定点，当WSN网络中的部分节点遭到外界攻击时，其他节点可以通过自组织模式重新形成一个新体系结构的WSN网络，此时不需要外界的任何辅助。

（3）拓扑网络。在WSN网络中，由于存在一些可以随时移动的数据节点，也存在能量消耗过快的数据节点，此时相应的还会有新模式的节点加入其中，这种种原因都将会导致网络拓扑结构发生一定的转变。

（4）无线区域范围限制性网络。无线信息传递形式的路径在对信息包进行有效传递的过程中具有一定的物理性质。它对信息包进行传递时稳定性和时速相对于有线传递的性质会略差，而且外界的干扰因子对其干扰性比较大，这些都会对WSN网络的数据传递的区域范围造成一定的影响。

（5）多跳网络。在WSN网络中，数据传递节点的传递范围会受多种因素的影响，使其传递的整体范围受到一定影响。如果想要与其相距较远的节点进行信息交换，就需要通过中间节点完成数据的转发，因此WSN网络一般情况下均采用多跳路由。

WSN网络的特点使其与传统模式的无线网络存在一定的差距，尤其是网络位置隐私保护方面，面临更严峻的挑战。

3 无线传感器网络中源节点距离测定及速率定位

3.1 信息包传递时效的距离测定

信息包传递时效主要是指源-目的端的数据信息传输时间，当需要测定源-目的端应用的时间时，可以通过数据信息传输的总体时间和速度来实现。当接收到3个及以上的且未在同一条直线的节点信息包的数据资料后，需要进一步计算出两者之间的距离值。

根据相应的数据跳数K，将距离未知节点处的相邻节点划分至不同的区域范围内，同时可以选取平均跳距来计算其到未知节点的实际距离，此模式能够在一定程度上估算出更接近真实距离的量值。通过对相邻节点进行区域划分，令距离待测节点较近的节点在约束条件下采用统一跳距形式；距离较远的节点在选择跳距形式时，不仅需要考量附近节点的平均跳距，还需要将相邻节点跳距和最小均方差准则跳距的因素加入考量的范围内，这样选择跳距的方式能够在一定程度上提高距离精度。

由此能够通过预定模式的三角测量法来估计目标位置，即以源节点为圆心，所得距离为半径做圆，三个圆的交点即为目标位置坐标。实现该模式的主要因素在于当其处于相应约束条件状态下，基于移动终端设备将会在一定程度上从源-目的端发送数据信息节点，此时发送的数据信息节点时间是同步模式，假设存在某一个终端接收信息失败，那么对于信息传输时间的计算将会存在偏差，影响最终数据信息节点的精度，因此该模式对设备信息的节点具有一定的要求。

3.2 信息包传递速率的定位

基于信息包传递速率的定位算法依据速率大小不相等的信号传递同一段距离所消耗的时间差值，已知该时间差和两种信号的速率大小便能求出信号传播的距离。基于信息包传递速率定位测距方式相较于信息包传递时效测距方式，在同等条件范围内，基于信息包传递速率的定位测距方式只需参与定位的源节点同步，而不像信息包传递时效测距方式要求收发端精确的同步。但该算法需要先验知识来消除位置模糊，同时也会受到多径效应的影响。

对于概率型算法，其基本原理在于结合条件概率和贝叶斯概率模式的优势，通过两者的测量模式来有效的估计待测节点的位置数据信息，贝叶斯概率的核心就是通过贝叶斯公式有效的计算事件的后验概率量值信息。在此基础上，用{rss1,rss2,…,rssN}表示数据库内全部隐私的数据信息资料，此时各个数据资料的位置信息用{l1,l2,…,lN}表示。当其进行在线匹配定位时，待测的位置节点将会接收到相应节点的信号，信号强度用rs={rss1,rss2,…,rssn}表示。估计待测位置信息时需要分别计算出现在位置隐私保护数据信息节点位置li处的概率p(li/rs)。相应位置处的概率信息值越大，说明待测位置信息节点越接近源节点，此时可以选用该节点作为待测信息节点。

4 无线传感器网络中基于源节点位置隐私保护策略

4.1 系统模型

根据WSN网络节点传递信息的特征性质，此时假设该模型具有如下3点结构特征。

（1）聚焦节点位于整个区域范围的中心位置。

（2）整个WSN网路在信息包传递的过程中将会被认为是以聚焦节点为中心点的一系列外放的圆环形。对于各个圆环，其半径的距离等价于圆环至聚焦节点之间的长度，也就是距离聚焦节点为i跳的位置节点此时位于据圆心的第N个圆环区域范围内。若存在一定的约束限制条件，那么在信息传递的过程中将会遵循其规律[2]。

（3）假设源节点定位于网络传递位置节点的概率是随机发生事件，那么此时若假设源节点将会以同等的时速向圆环的聚焦节点传递信息包。

4.2 源节点位置隐私保护策略

在传统源节点位置隐私算法中，待测节点一般均选择相邻位置的节点，然后计算数据节点与测量节点之间的位置距离，根据位置距离信息来计算节点间的平均跳距。但由于外界环境的复杂性，往往需要测量的位置信息并不成平均分布模式，这样情况下测量待测节点至相邻节点之间的距离将会存在一定的差异。若未知节点选择的跳距值存在较大的误差率，那么获得的相应跳距将会与实际量值存在明显的误差[3]。

若每条隐私数据信息保护的位置处于相同地位，表示为p(li)，属于均等情况，可以取值表示为1/N，此时需要计算最大概率量值max(p(rs/li))。实际上等价于计算p(rs/li)，计算获取最大量值，这样就能够在一定程度上得到待测节点的位置信息。对于计算p(rs/li)，能够在任意位置处接收不同节点位置处的信号节点，此时可以选择后验概率最大值为参考节点，并最终完成定位保护。同时，也可以在相应的条件下选取多个参考节点作为定位点，将后验概率作为基本的坐标值，计算得出精准的定位数据信息。当未知节点距离相邻节点的位置较远时，也就是跳距较大，需要考量除相邻节点之外其他节点对位置数据的影响。

因此，具体操作过程是按照相邻节点与未知节点的跳距对其进行区域划分，然后对不同区域范围内的相邻节点选择不同的跳距来计算两者之间的距离信息，对不同节点需要选择不同的模式进行相应的数据计算。当对某未知节点x进行距离测量时，距离较近的相邻节点可以为其提供数据库内的信息，该数据信息量值对跳距大小具有控制效果。当相邻节点至未知节点的跳距较大时，未知节点可以放弃该类相邻节点的跳距量值信息。当前未知节点x邻近区域K跳以内的相邻节点，若未知节点x可以在相应的区域范围内通过一定的通信模式与K跳以内的m个相邻节点进行联系，那么此时可以计算相邻节点的平均跳距值。

5 结 论

随着通信技术的高速发展，无线通信网络技术的增强和基于源节点位置隐私保护成为通信网络技术发展的重要方面。基于源节点位置隐私保护策略的主要实现过程需要采取网络中源节点和目的端之间最短路径来定位聚焦节点的位置信息，从而在节省运营成本的同时带来良好的分集增益。目前，基于协作源节点的位置隐私保护等相关技术均是采取协作的方式达到其应用的理想效果。本文从最短路径的聚焦节点位置隐私保护与协作源节点的位置隐私保护结合入手，对基于源节点的隐私定位算法进行深入详细研究，并在基于源节点位置隐私保护方案中通过一系列手段阻碍攻击者的成功定位，保护源节点的位置隐私，进一步使信息安全达到最优状态。