朱 熙

（武漢輕工大學(xué)，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(qiáng)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(hù)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(yīng)用到各個(gè)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(diǎn)數(shù)據(jù)信息傳輸受限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、信息傳輸路徑受阻等，在一定程度上將會(huì)阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自我保護(hù)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(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

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(diǎn)通過一定的應(yīng)用模式相互之間進(jìn)行連接，在應(yīng)用過程中其優(yōu)勢主要有如下5個(gè)方面特點(diǎn)。

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

（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(jìn)行有效的定點(diǎn)，當(dāng)WSN網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)遭到外界攻擊時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可以通過自組織模式重新形成一個(gè)新體系結(jié)構(gòu)的WSN網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)不需要外界的任何輔助。

（3）拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。在WSN網(wǎng)絡(luò)中，由于存在一些可以隨時(shí)移動(dòng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，也存在能量消耗過快的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)相應(yīng)的還會(huì)有新模式的節(jié)點(diǎn)加入其中，這種種原因都將會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)行傳遞時(shí)穩(wěn)定性和時(shí)速相對于有線傳遞的性質(zhì)會(huì)略差，而且外界的干擾因子對其干擾性比較大，這些都會(huì)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(diǎn)的傳遞范圍會(huì)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(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換，就需要通過中間節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(hù)方面，面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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

3.1 信息包傳遞時(shí)效的距離測定

信息包傳遞時(shí)效主要是指源-目的端的數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)間，當(dāng)需要測定源-目的端應(yīng)用的時(shí)間時(shí)，可以通過數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)目傮w時(shí)間和速度來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)接收到3個(gè)及以上的且未在同一條直線的節(jié)點(diǎn)信息包的數(shù)據(jù)資料后，需要進(jìn)一步計(jì)算出兩者之間的距離值。

根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)跳數(shù)K，將距離未知節(jié)點(diǎn)處的相鄰節(jié)點(diǎn)劃分至不同的區(qū)域范圍內(nèi)，同時(shí)可以選取平均跳距來計(jì)算其到未知節(jié)點(diǎn)的實(shí)際距離，此模式能夠在一定程度上估算出更接近真實(shí)距離的量值。通過對相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分，令距離待測節(jié)點(diǎn)較近的節(jié)點(diǎn)在約束條件下采用統(tǒng)一跳距形式；距離較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)在選擇跳距形式時(shí)，不僅需要考量附近節(jié)點(diǎn)的平均跳距，還需要將相鄰節(jié)點(diǎn)跳距和最小均方差準(zhǔn)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(yù)定模式的三角測量法來估計(jì)目標(biāo)位置，即以源節(jié)點(diǎn)為圓心，所得距離為半徑做圓，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為目標(biāo)位置坐標(biāo)。實(shí)現(xiàn)該模式的主要因素在于當(dāng)其處于相應(yīng)約束條件狀態(tài)下，基于移動(dòng)終端設(shè)備將會(huì)在一定程度上從源-目的端發(fā)送數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)，此時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)時(shí)間是同步模式，假設(shè)存在某一個(gè)終端接收信息失敗，那么對于信息傳輸時(shí)間的計(jì)算將會(huì)存在偏差，影響最終數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)的精度，因此該模式對設(shè)備信息的節(jié)點(diǎn)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(shí)間差值，已知該時(shí)間差和兩種信號的速率大小便能求出信號傳播的距離?；谛畔鼈鬟f速率定位測距方式相較于信息包傳遞時(shí)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(diǎn)同步，而不像信息包傳遞時(shí)效測距方式要求收發(fā)端精確的同步。但該算法需要先驗(yàn)知識來消除位置模糊，同時(shí)也會(huì)受到多徑效應(yīng)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(jì)待測節(jié)點(diǎn)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(jì)算事件的后驗(yàn)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(shí)各個(gè)數(shù)據(jù)資料的位置信息用{l1,l2,…,lN}表示。當(dāng)其進(jìn)行在線匹配定位時(shí)，待測的位置節(jié)點(diǎn)將會(huì)接收到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的信號，信號強(qiáng)度用rs={rss1,rss2,…,rssn}表示。估計(jì)待測位置信息時(shí)需要分別計(jì)算出現(xiàn)在位置隱私保護(hù)數(shù)據(jù)信息節(jié)點(diǎn)位置li處的概率p(li/rs)。相應(yīng)位置處的概率信息值越大，說明待測位置信息節(jié)點(diǎn)越接近源節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可以選用該節(jié)點(diǎn)作為待測信息節(jié)點(diǎn)。

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

4.1 系統(tǒng)模型

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

（1）聚焦節(jié)點(diǎn)位于整個(gè)區(qū)域范圍的中心位置。

（2）整個(gè)WSN網(wǎng)路在信息包傳遞的過程中將會(huì)被認(rèn)為是以聚焦節(jié)點(diǎn)為中心點(diǎn)的一系列外放的圓環(huán)形。對于各個(gè)圓環(huán)，其半徑的距離等價(jià)于圓環(huán)至聚焦節(jié)點(diǎn)之間的長度，也就是距離聚焦節(jié)點(diǎn)為i跳的位置節(jié)點(diǎn)此時(shí)位于據(jù)圓心的第N個(gè)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(huì)遵循其規(guī)律[2]。

（3）假設(shè)源節(jié)點(diǎn)定位于網(wǎng)絡(luò)傳遞位置節(jié)點(diǎn)的概率是隨機(jī)發(fā)生事件，那么此時(shí)若假設(shè)源節(jié)點(diǎn)將會(huì)以同等的時(shí)速向圓環(huán)的聚焦節(jié)點(diǎn)傳遞信息包。

4.2 源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)策略

在傳統(tǒng)源節(jié)點(diǎn)位置隱私算法中，待測節(jié)點(diǎn)一般均選擇相鄰位置的節(jié)點(diǎn)，然后計(jì)算數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)與測量節(jié)點(diǎn)之間的位置距離，根據(jù)位置距離信息來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的平均跳距。但由于外界環(huán)境的復(fù)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(diǎn)至相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離將會(huì)存在一定的差異。若未知節(jié)點(diǎn)選擇的跳距值存在較大的誤差率，那么獲得的相應(yīng)跳距將會(huì)與實(shí)際量值存在明顯的誤差[3]。

若每條隱私數(shù)據(jù)信息保護(hù)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(shí)需要計(jì)算最大概率量值max(p(rs/li))。實(shí)際上等價(jià)于計(jì)算p(rs/li)，計(jì)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(diǎn)的位置信息。對于計(jì)算p(rs/li)，能夠在任意位置處接收不同節(jié)點(diǎn)位置處的信號節(jié)點(diǎn)，此時(shí)可以選擇后驗(yàn)概率最大值為參考節(jié)點(diǎn)，并最終完成定位保護(hù)。同時(shí)，也可以在相應(yīng)的條件下選取多個(gè)參考節(jié)點(diǎn)作為定位點(diǎn)，將后驗(yàn)概率作為基本的坐標(biāo)值，計(jì)算得出精準(zhǔn)的定位數(shù)據(jù)信息。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)距離相鄰節(jié)點(diǎn)的位置較遠(yuǎn)時(shí)，也就是跳距較大，需要考量除相鄰節(jié)點(diǎn)之外其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的跳距對其進(jìn)行區(qū)域劃分，然后對不同區(qū)域范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)選擇不同的跳距來計(jì)算兩者之間的距離信息，對不同節(jié)點(diǎn)需要選擇不同的模式進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)計(jì)算。當(dāng)對某未知節(jié)點(diǎn)x進(jìn)行距離測量時(shí)，距離較近的相鄰節(jié)點(diǎn)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(dāng)相鄰節(jié)點(diǎn)至未知節(jié)點(diǎn)的跳距較大時(shí)，未知節(jié)點(diǎn)可以放棄該類相鄰節(jié)點(diǎn)的跳距量值信息。當(dāng)前未知節(jié)點(diǎn)x鄰近區(qū)域K跳以內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)，若未知節(jié)點(diǎn)x可以在相應(yīng)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(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)系，那么此時(shí)可以計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)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(qiáng)和基于源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)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(diǎn)位置隱私保護(hù)策略的主要實(shí)現(xiàn)過程需要采取網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)和目的端之間最短路徑來定位聚焦節(jié)點(diǎn)的位置信息，從而在節(jié)省運(yùn)營成本的同時(shí)帶來良好的分集增益。目前，基于協(xié)作源節(jié)點(diǎn)的位置隱私保護(hù)等相關(guān)技術(shù)均是采取協(xié)作的方式達(dá)到其應(yīng)用的理想效果。本文從最短路徑的聚焦節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)與協(xié)作源節(jié)點(diǎn)的位置隱私保護(hù)結(jié)合入手，對基于源節(jié)點(diǎn)的隱私定位算法進(jìn)行深入詳細(xì)研究，并在基于源節(jié)點(diǎn)位置隱私保護(hù)方案中通過一系列手段阻礙攻擊者的成功定位，保護(hù)源節(jié)點(diǎn)的位置隱私，進(jìn)一步使信息安全達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。