無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于源節(jié)點位置隱私保護策略研究

朱 熙

（武漢輕工大學，湖北 武漢 430048）

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究意義

隨著網(wǎng)絡(luò)分布式數(shù)據(jù)信息處理能力逐漸增強及數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)的提升，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護能力和數(shù)據(jù)信息資料采集能力發(fā)生質(zhì)的飛躍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被應用到各個領(lǐng)域中，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身存在一些劣勢，如節(jié)點數(shù)據(jù)信息傳輸受限、拓撲結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、信息傳輸路徑受阻等，在一定程度上將會阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我保護能力發(fā)揮，因此安全隱私問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的嚴峻挑戰(zhàn)[1]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新模式的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，其采用大量的數(shù)據(jù)節(jié)點通過一定的應用模式相互之間進行連接，在應用過程中其優(yōu)勢主要有如下5個方面特點。

（1）無確定中心節(jié)點。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，由于沒有確定的中心節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的全部數(shù)據(jù)節(jié)點既能夠充當數(shù)據(jù)的收集者，也能夠充當數(shù)據(jù)的傳遞者，甚至在一定的應用條件下能夠成為數(shù)據(jù)的聚焦節(jié)點。

（2）自組織網(wǎng)絡(luò)。通常，WSN網(wǎng)絡(luò)主要采用空中拋擲模式進行有效的定點，當WSN網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點遭到外界攻擊時，其他節(jié)點可以通過自組織模式重新形成一個新體系結(jié)構(gòu)的WSN網(wǎng)絡(luò)，此時不需要外界的任何輔助。

（3）拓撲網(wǎng)絡(luò)。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，由于存在一些可以隨時移動的數(shù)據(jù)節(jié)點，也存在能量消耗過快的數(shù)據(jù)節(jié)點，此時相應的還會有新模式的節(jié)點加入其中，這種種原因都將會導致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的轉(zhuǎn)變。

（4）無線區(qū)域范圍限制性網(wǎng)絡(luò)。無線信息傳遞形式的路徑在對信息包進行有效傳遞的過程中具有一定的物理性質(zhì)。它對信息包進行傳遞時穩(wěn)定性和時速相對于有線傳遞的性質(zhì)會略差，而且外界的干擾因子對其干擾性比較大，這些都會對WSN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞的區(qū)域范圍造成一定的影響。

（5）多跳網(wǎng)絡(luò)。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳遞節(jié)點的傳遞范圍會受多種因素的影響，使其傳遞的整體范圍受到一定影響。如果想要與其相距較遠的節(jié)點進行信息交換，就需要通過中間節(jié)點完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，因此WSN網(wǎng)絡(luò)一般情況下均采用多跳路由。

WSN網(wǎng)絡(luò)的特點使其與傳統(tǒng)模式的無線網(wǎng)絡(luò)存在一定的差距，尤其是網(wǎng)絡(luò)位置隱私保護方面，面臨更嚴峻的挑戰(zhàn)。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點距離測定及速率定位

3.1 信息包傳遞時效的距離測定

信息包傳遞時效主要是指源-目的端的數(shù)據(jù)信息傳輸時間，當需要測定源-目的端應用的時間時，可以通過數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目傮w時間和速度來實現(xiàn)。當接收到3個及以上的且未在同一條直線的節(jié)點信息包的數(shù)據(jù)資料后，需要進一步計算出兩者之間的距離值。

根據(jù)相應的數(shù)據(jù)跳數(shù)K，將距離未知節(jié)點處的相鄰節(jié)點劃分至不同的區(qū)域范圍內(nèi)，同時可以選取平均跳距來計算其到未知節(jié)點的實際距離，此模式能夠在一定程度上估算出更接近真實距離的量值。通過對相鄰節(jié)點進行區(qū)域劃分，令距離待測節(jié)點較近的節(jié)點在約束條件下采用統(tǒng)一跳距形式；距離較遠的節(jié)點在選擇跳距形式時，不僅需要考量附近節(jié)點的平均跳距，還需要將相鄰節(jié)點跳距和最小均方差準則跳距的因素加入考量的范圍內(nèi)，這樣選擇跳距的方式能夠在一定程度上提高距離精度。

由此能夠通過預定模式的三角測量法來估計目標位置，即以源節(jié)點為圓心，所得距離為半徑做圓，三個圓的交點即為目標位置坐標。實現(xiàn)該模式的主要因素在于當其處于相應約束條件狀態(tài)下，基于移動終端設(shè)備將會在一定程度上從源-目的端發(fā)送數(shù)據(jù)信息節(jié)點，此時發(fā)送的數(shù)據(jù)信息節(jié)點時間是同步模式，假設(shè)存在某一個終端接收信息失敗，那么對于信息傳輸時間的計算將會存在偏差，影響最終數(shù)據(jù)信息節(jié)點的精度，因此該模式對設(shè)備信息的節(jié)點具有一定的要求。

3.2 信息包傳遞速率的定位

基于信息包傳遞速率的定位算法依據(jù)速率大小不相等的信號傳遞同一段距離所消耗的時間差值，已知該時間差和兩種信號的速率大小便能求出信號傳播的距離。基于信息包傳遞速率定位測距方式相較于信息包傳遞時效測距方式，在同等條件范圍內(nèi)，基于信息包傳遞速率的定位測距方式只需參與定位的源節(jié)點同步，而不像信息包傳遞時效測距方式要求收發(fā)端精確的同步。但該算法需要先驗知識來消除位置模糊，同時也會受到多徑效應的影響。

對于概率型算法，其基本原理在于結(jié)合條件概率和貝葉斯概率模式的優(yōu)勢，通過兩者的測量模式來有效的估計待測節(jié)點的位置數(shù)據(jù)信息，貝葉斯概率的核心就是通過貝葉斯公式有效的計算事件的后驗概率量值信息。在此基礎(chǔ)上，用{rss1,rss2,…,rssN}表示數(shù)據(jù)庫內(nèi)全部隱私的數(shù)據(jù)信息資料，此時各個數(shù)據(jù)資料的位置信息用{l1,l2,…,lN}表示。當其進行在線匹配定位時，待測的位置節(jié)點將會接收到相應節(jié)點的信號，信號強度用rs={rss1,rss2,…,rssn}表示。估計待測位置信息時需要分別計算出現(xiàn)在位置隱私保護數(shù)據(jù)信息節(jié)點位置li處的概率p(li/rs)。相應位置處的概率信息值越大，說明待測位置信息節(jié)點越接近源節(jié)點，此時可以選用該節(jié)點作為待測信息節(jié)點。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于源節(jié)點位置隱私保護策略

4.1 系統(tǒng)模型

根據(jù)WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳遞信息的特征性質(zhì)，此時假設(shè)該模型具有如下3點結(jié)構(gòu)特征。

（1）聚焦節(jié)點位于整個區(qū)域范圍的中心位置。

（2）整個WSN網(wǎng)路在信息包傳遞的過程中將會被認為是以聚焦節(jié)點為中心點的一系列外放的圓環(huán)形。對于各個圓環(huán)，其半徑的距離等價于圓環(huán)至聚焦節(jié)點之間的長度，也就是距離聚焦節(jié)點為i跳的位置節(jié)點此時位于據(jù)圓心的第N個圓環(huán)區(qū)域范圍內(nèi)。若存在一定的約束限制條件，那么在信息傳遞的過程中將會遵循其規(guī)律[2]。

（3）假設(shè)源節(jié)點定位于網(wǎng)絡(luò)傳遞位置節(jié)點的概率是隨機發(fā)生事件，那么此時若假設(shè)源節(jié)點將會以同等的時速向圓環(huán)的聚焦節(jié)點傳遞信息包。

4.2 源節(jié)點位置隱私保護策略

在傳統(tǒng)源節(jié)點位置隱私算法中，待測節(jié)點一般均選擇相鄰位置的節(jié)點，然后計算數(shù)據(jù)節(jié)點與測量節(jié)點之間的位置距離，根據(jù)位置距離信息來計算節(jié)點間的平均跳距。但由于外界環(huán)境的復雜性，往往需要測量的位置信息并不成平均分布模式，這樣情況下測量待測節(jié)點至相鄰節(jié)點之間的距離將會存在一定的差異。若未知節(jié)點選擇的跳距值存在較大的誤差率，那么獲得的相應跳距將會與實際量值存在明顯的誤差[3]。

若每條隱私數(shù)據(jù)信息保護的位置處于相同地位，表示為p(li)，屬于均等情況，可以取值表示為1/N，此時需要計算最大概率量值max(p(rs/li))。實際上等價于計算p(rs/li)，計算獲取最大量值，這樣就能夠在一定程度上得到待測節(jié)點的位置信息。對于計算p(rs/li)，能夠在任意位置處接收不同節(jié)點位置處的信號節(jié)點，此時可以選擇后驗概率最大值為參考節(jié)點，并最終完成定位保護。同時，也可以在相應的條件下選取多個參考節(jié)點作為定位點，將后驗概率作為基本的坐標值，計算得出精準的定位數(shù)據(jù)信息。當未知節(jié)點距離相鄰節(jié)點的位置較遠時，也就是跳距較大，需要考量除相鄰節(jié)點之外其他節(jié)點對位置數(shù)據(jù)的影響。

因此，具體操作過程是按照相鄰節(jié)點與未知節(jié)點的跳距對其進行區(qū)域劃分，然后對不同區(qū)域范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點選擇不同的跳距來計算兩者之間的距離信息，對不同節(jié)點需要選擇不同的模式進行相應的數(shù)據(jù)計算。當對某未知節(jié)點x進行距離測量時，距離較近的相鄰節(jié)點可以為其提供數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信息，該數(shù)據(jù)信息量值對跳距大小具有控制效果。當相鄰節(jié)點至未知節(jié)點的跳距較大時，未知節(jié)點可以放棄該類相鄰節(jié)點的跳距量值信息。當前未知節(jié)點x鄰近區(qū)域K跳以內(nèi)的相鄰節(jié)點，若未知節(jié)點x可以在相應的區(qū)域范圍內(nèi)通過一定的通信模式與K跳以內(nèi)的m個相鄰節(jié)點進行聯(lián)系，那么此時可以計算相鄰節(jié)點的平均跳距值。

5 結(jié) 論

隨著通信技術(shù)的高速發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的增強和基于源節(jié)點位置隱私保護成為通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要方面。基于源節(jié)點位置隱私保護策略的主要實現(xiàn)過程需要采取網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點和目的端之間最短路徑來定位聚焦節(jié)點的位置信息，從而在節(jié)省運營成本的同時帶來良好的分集增益。目前，基于協(xié)作源節(jié)點的位置隱私保護等相關(guān)技術(shù)均是采取協(xié)作的方式達到其應用的理想效果。本文從最短路徑的聚焦節(jié)點位置隱私保護與協(xié)作源節(jié)點的位置隱私保護結(jié)合入手，對基于源節(jié)點的隱私定位算法進行深入詳細研究，并在基于源節(jié)點位置隱私保護方案中通過一系列手段阻礙攻擊者的成功定位，保護源節(jié)點的位置隱私，進一步使信息安全達到最優(yōu)狀態(tài)。