面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法

专利类型 发明授权 法律事件 公开; 实质审查; 授权;
专利有效性 有效专利 当前状态 授权
申请号 CN202210505546.7 申请日 2022-05-10
公开(公告)号 CN114866977B 公开(公告)日 2025-04-22
申请人 南京航空航天大学; 申请人类型 学校
发明人 许峰; 倪茜; 刘振宇; 陈书航; 董佳辉; 第一发明人 许峰
权利人 南京航空航天大学 权利人类型 学校
当前权利人 南京航空航天大学 当前权利人类型 学校
省份 当前专利权人所在省份:江苏省 城市 当前专利权人所在城市:江苏省南京市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:江苏省南京市御道街29号 邮编 当前专利权人邮编:210016
主IPC国际分类 H04W4/38 所有IPC国际分类 H04W4/38H04W12/00H04W12/106H04W12/122H04W28/24H04W40/12H04W40/32
专利引用数量 2 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 1 专利文献类型 B
专利代理机构 北京汇捷知识产权代理事务所 专利代理人 李鑫;
摘要 本 发明 公开了一个面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法MQBP。该方法通过 节点 区域划分提供了分区级别更细粒度的数据聚集结果,提高了数据切片与融合过程在能效、隐私和精确度上的均衡表现;通过优化节点 角 色划分机制并结合蓝绿聚集路由,进一步提高隐私保护程度;通过构造两条不相交的蓝绿聚集路由,并结合基站预选取路由与路由 质量 探测机制保障网络服务质量与数据聚集完整性;通过基站统一规划的路由选取方案,优化网络能效,延长网络生命周期。最终使得无线 传感器 网络的隐私性、数据完整性和能效性多个方面有较好的综合性能,并且具有较高的服务质量。
权利要求

1.面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法,其特征在于:
(1)基站使用基于通信能量密度的改进型DPC‑MND方法进行分簇,选举簇头,并使用反向规划机制为各个簇头节点构造簇间路由;
(2)基站为各个簇划分节点色,选出50%的聚集节点与50%的切片节点,并将聚集节点按1:1随机划分为蓝绿节点,具体过程如下:
(201)由基站统一将簇内的节点划分为切片节点与聚集节点,切片节点用于承担全部数据切片与分发任务,聚集节点用于承担全部的数据重组融合与聚集任务,聚集节点选取的度量标准如下:
其中λ+β=1,参数λ和β都能够自由调节,Eres代表节点剩余能量,DtoHead代表节点到簇头的距离, 和 分别代表全部节点剩余能量和到簇头距离的平均值,剩余的节点则成为切片节点;
(202)聚集节点的蓝绿划分同样由基站进行规划,按照完全随机的方式选取50%的聚集节点成为蓝色节点,50%的聚集节点成为绿色节点,切片节点通过蓝绿聚集节点分别构造两条通往簇头的不相交路径,簇头通过对比蓝绿两条路由的结果以验证数据聚集完整性;
(3)基站为切片节点预选举切片多路由,并将网络的分簇、簇头、簇间路由与切片路由广播至网络中;
(4)切片节点根据基站规划的候选切片多路由发送探测数据包进行路径质量探测,并构造QoS度量选取最佳路由,具体步骤如下:
(401)首先预选举出较优路由,采取基站预选举的方式,按照度量标准为切片节点预选取若干条较优路由,将较优路由信息发送给节点,交由节点进一步判断选取,切片节点选取聚集节点作为路由的度量标准定义如下:
其中,DtoNode代表聚集节点与当前切片节点的距离;
(402)每个切片节点沿着多条预选举的聚集路由发送探测数据包至簇头,簇头收到数据包后原路转发回切片节点;
(403)切片节点计算相应指标用于度量QoS以选取最优路由,度量指标包括链路整体能耗Ecost、包传输率Tra与传输时延Delay,公式如下:
Ecost(Path)=Costi→head+Costhead→i
(404)计算QoS度量并根据度量值Q:
Q(Path)=ω1Ecost(Path)+ω2Tra(Path)+ω3Delay(Path)
其中,ω1、ω2与ω3为加权系数,满足ω1+ω2+ω3=1,加权系数值可自行调整;
(405)切片节点在蓝绿候选聚集节点中分别选出度量值Q最高的2个节点,累计4条路由作为切片分发与数据聚集的中继节点;
(5)切片节点将数据沿着构造好的蓝绿路由分发2份切片结果,蓝绿聚集节点将数据聚集至簇头,簇头节点将数据沿簇间路由聚集至基站;
(6)基站在数据聚集之后求出分区聚集结果提供给应用层完成相应任务,并执行相应的恶意节点检测机制,剔除恶意节点,准备网络的下一轮运行。

说明书全文

面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于计算机软件开发领域,特别涉及了一种无线传感器网络环境下面向QoS保障的隐私保护拓扑控制方法。

背景技术

[0002] 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)作为物联网中一种重要的通讯技术,在入侵检测、气象监测、安全性和战术侦查等诸多场景中被广泛应用。根据目前的发展趋势来看,WSN规模越来越大,传感器器件集成度也越来越高,这就对路由协议的设计提出了很高的要求,需要路由协议能高效地协调传感器节点的数据转发与数据融合工作、保障数据传输质量、降低网络能耗、提高网络稳定工作的生命周期。
[0003] 但在WSN的实际部署运行过程中,可能因恶劣且不稳定的外部环境或者各种攻击,导致网络通信不稳定,节点之间传输信息受阻。因而,保障无线传感器网络的服务质量、提高服务稳定性对路由协议的性能意义重大。目前的研究中,改进网络服务质量的研究工作主要可以分为三个方向,包括群体智能、多路径优化和跨层联合优化,但现有的方法中都或多或少存在能效与QoS综合表现的不足。
[0004] 综上所述,在WSN中QoS是重要性能指标,如何在保障网络的服务质量和可靠性的前提下,综合能效、隐私和服务质量多方面的性能,成为本领域亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 为了解决上述背景技术中提到的技术问题,本发明提出了面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法。
[0006] 为了实现上述技术目的,本发明的技术方案为:通过对网络分区的方式实现区域细粒度的数据聚集,提升数据切片与聚集方法的适应性;通过节点色划分机制与多路径方案提高隐私保护性能;通过构建不相交的蓝绿切片路由提供数据聚集完整性校验,并以路径质量探测的方式提高网络链路可靠性。最终使得网络的隐私性、数据完整性和能效性多个方面有较好的综合性能,并且具有较高的服务质量。
[0007] 面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法,包括以下步骤:
[0008] (1)基站使用基于通信能量密度的改进型DPC‑MND方法进行分簇,选举簇头,并使用反向规划机制为各个簇头节点构造簇间路由;
[0009] (2)基站为各个簇划分节点角色,选出50%的聚集节点与50%的切片节点,并将聚集节点按1∶1随机划分为蓝绿节点;
[0010] (3)基站为切片节点预选举切片多路由,并将网络的分簇、簇头、簇间路由与切片路由广播至网络中;
[0011] (4)切片节点根据基站规划的候选切片多路由发送探测数据包进行路径质量探测,并构造QoS度量选取最佳路由;
[0012] (5)切片节点将数据沿着构造好的蓝绿路由分发2份切片结果,蓝绿聚集节点将数据聚集至簇头,簇头节点将数据沿簇间路由聚集至基站;
[0013] (6)基站在数据聚集之后求出分区聚集结果提供给应用层完成相应任务,并执行相应的恶意节点检测机制,剔除恶意节点,准备网络的下一轮运行。
[0014] 进一步地,在步骤(2)中,划分节点的具体过程如下:
[0015] (201)由基站统一将簇内的节点划分为切片节点与聚集节点,切片节点用于承担全部数据切片与分发任务,聚集节点用于承担全部的数据重组融合与聚集任务。聚集节点选取的度量标准如下:
[0016]
[0017] 其中λ+β=1,参数λ和β都能够自由调节。Eres代表节点剩余能量,DtoHead代表节点到簇头的距离, 和 分别代表全部节点剩余能量和到簇头距离的平均值,剩余的节点则成为切片节点。
[0018] (202)聚集节点的蓝绿划分同样由基站进行规划,按照完全随机的方式选取50%的聚集节点成为蓝色节点,50%的聚集节点成为绿色节点。切片节点通过蓝绿聚集节点分别构造两条通往簇头的不相交路径,簇头通过对比蓝绿两条路由的结果以验证数据聚集完整性。
[0019] 进一步地,在步骤(4)中,选取最佳路由的具体过程如下:
[0020] (401)首先预选举出较优路由。采取基站预选举的方式,按照度量标准为切片节点预选取若干条较优路由,将较优路由信息发送给节点,交由节点进一步判断选取。切片节点选取聚集节点作为路由的度量标准定义如下:
[0021]
[0022] 其中,DtoNode代表聚集节点与当前切片节点的距离。
[0023] (402)每个切片节点沿着多条预选举的聚集路由发送探测数据包至簇头,簇头收到数据包后原路转发回切片节点。
[0024] (403)切片节点计算相应指标用于度量QoS以选取最优路由。度量指标包括链路整体能耗Ecost、包传输率Tra与传输时延Delay,公式如下:
[0025] Ecost(Path)=Costi→head+Costhead→i
[0026]
[0027] (404)计算QoS度量并根据度量值Q:
[0028] Q(Path)=ω1Ecost(Path)+ω2Tra(Path)+ω3Delay(Path)
[0029] 其中,ω1、ω2与ω3为加权系数,满足ω1+ω2+ω3=1,加权系数值可自行调整。
[0030] (405)切片节点在蓝绿候选聚集节点中分别选出度量值Q最高的2个节点,累计4条路由作为切片分发与数据聚集的中继节点。
[0031] 采用上述技术方案带来的有益效果:
[0032] (1)本发明设计的面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法MQBP,通过改进节点角色划分机制,将节点划分为50%的聚集节点与50%的切片节点,并将聚集节点按1∶1随机划分为蓝绿节点,实现了更细粒度的节点区分,改善了隐私保护程度。
[0033] (2)本发明设计的面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法MQBP,通过构造蓝绿不相交聚集路由,并结合基站预选取与路由质量探测保障链路的质量与数据聚集完整性,使网络具有较高的服务质量,最终使得网络的隐私性、数据完整性和能效性多个方面有较好的综合性能。附图说明
[0034] 图1是本发明的方法流程图
[0035] 图2是本发明中多路径切片路由示意图。

具体实施方式

[0036] 以下将结合附图,对本发明的技术方案进行详细说明。
[0037] 本发明的基本思想是,通过对网络分区的方式实现区域细粒度的数据聚集,提升数据切片与聚集方法的适应性;通过节点角色划分机制与多路径方案提高隐私保护性能;通过构建不相交的蓝绿切片路由提供数据聚集完整性校验,并以路径质量探测的方式提高网络链路可靠性。最终使得网络的隐私性、数据完整性和能效性多个方面有较好的综合性能,并且具有较高的服务质量。
[0038] 1、如图1所示,本发明提出的面向QoS保障的隐私保护WSN拓扑控制方法,步骤如下:
[0039] (1)基站使用基于通信能量密度的改进型DPC‑MND方法进行分簇,选举簇头,并使用反向规划机制为各个簇头节点构造簇间路由。
[0040] (2)基站为各个簇划分节点角色,选出50%的聚集节点与50%的切片节点,并将聚集节点按1:1随机划分为蓝绿节点。
[0041] (3)基站为切片节点预选举切片多路由,并将网络的分簇、簇头、簇间路由与切片路由广播至网络中。
[0042] (4)切片节点根据基站规划的候选切片多路由发送探测数据包进行路径质量探测,并构造QoS度量选取最佳路由。
[0043] (5)切片节点将数据沿着构造好的蓝绿路由分发2份切片结果,蓝绿聚集节点将数据聚集至簇头,簇头节点将数据沿簇间路由聚集至基站。
[0044] (6)基站在数据聚集之后求出分区聚集结果提供给应用层完成相应任务,并执行相应的恶意节点检测机制,剔除恶意节点,准备网络的下一轮运行。
[0045] 在本实施例中,可以采用如下优选方案实现上述步骤(2):
[0046] (201)由基站统一将簇内的节点划分为切片节点与聚集节点,切片节点用于承担全部数据切片与分发任务,聚集节点用于承担全部的数据重组融合与聚集任务。本实施例中取λ=0.5,β=0.5,选取聚集节点的比例为α=0.5,剩余的节点则成为切片节点。
[0047] (202)聚集节点的蓝绿划分同样由基站进行规划,按照完全随机的方式选取50%的聚集节点成为蓝色节点,50%的聚集节点成为绿色节点。切片节点通过蓝绿聚集节点分别构造两条通往簇头的不相交路径,簇头通过对比蓝绿两条路由的结果以验证数据聚集完整性。
[0048] 在本实施例中,可以采用如下优选方案实现上述步骤(4):
[0049] (401)首先预选举出较优路由。采取基站预选举的方式,按照度量标准为切片节点预选取若干条较优路由,将较优路由信息发送给节点,交由节点进一步判断选取。
[0050] (402)每个切片节点沿着多条预选举的聚集路由发送探测数据包至簇头,簇头收到数据包后原路转发回切片节点。
[0051] (403)切片节点计算相应指标用于度量QoS以选取最优路由。
[0052] (404)计算QoS度量并根据度量值Q。在本实施例中选择ω1=0.5,ω2=0.25,ω3=0.25。
[0053] (405)切片节点在蓝绿候选聚集节点中分别选出度量值Q最高的2个节点,累计4条路由作为切片分发与数据聚集的中继节点。
[0054] 实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
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