[发明专利]能使无线传感器网络源位置安全的多分支路由设计方法

权利要求书

1.一种能使无线传感器网络源位置安全的多分支路由设计方法，其特征是，包括如下步骤：

1)定义网络模型：所述网络模型为无线传感器网络，由一个基站节点即BS节点和N个传感器节点组成，传感器节点监测到被监测对象时收集相关数据并发送给基站BS节点，该传感器节点称为源节点SN，假设网络中只有一个节点为源节点，当一段时间内无法监测到被监测对象时，源节点停止发送数据包，所述网络模型满足以下条件：

1-1)网络中的传感器节点均匀分布，传感器节点同构即传感器节点都是相同配置，每个传感器节点的计算、存储和能耗资源相同；

1-2)数据包加密，攻击者无破译数据包和分辨出数据包的真假；

1-3)BS节点发起深度配置信息，即传感器节点距BS节点的跳数即hop，网络中的传感器节点接收到信息记录自身hop值，将信息包中的hop值增加1后重新广播直到扩散全网；

1-4)网络中的传感器节点可以获得邻居传感器节点到BS节点的hop值、邻居传感器节点的身份标识ID、邻居传感器节点的剩余能量、邻居传感器节点位置信息；

1-5)基站有足够的能力抵抗攻击，攻击者根据发送数据的时间相关性和传感器节点间的流量分析，追踪到源节点；

所述网络模型的攻击者满足以下条件：

1-6)攻击者拥有更精密的监听设备，有充足的能源、存储能力，足够的计算能力，攻击者可以通过分析接收到的消息来确定发送信息的上一个传感器节点；

1-7)攻击者采用被动攻击，攻击者不会干扰网络的正常运行；

1-8)攻击者采用被动监听的方式侦听数据流量；

1-9)攻击者采用局部攻击依靠自身监听设备对自身周围局部通信状况进行监听；

1-10)攻击者使用窃听和逐跳追踪结合的攻击方式；

1-11)攻击者的移动速度低于数据包的传输速度，攻击者接收到信息包时只能向事件源移动一个传感器节点的位置；

2)多分支路由设计：采用动态虚拟源的能量均衡多分支路径EBBT(Energy BalancedBranch Tree)路由方法，源节点的数据随机游走H₁跳后到达中间传感器节点，该数据从中间传感器节点到基站沿最短路径路由转发，在最短路径路由上选取产生分支路径的传感器节点，随后产生分支路径和虚拟源，包括3个阶段：

2-1)随机游走阶段RW：传感器节点根据邻居传感器节点距基站的跳数，将邻居传感器节点分为三个集合：

(1)将邻居传感器节点与自身传感器节点拥有相同跳数的传感器节点划分到等效集合ES中；

(2)将邻居传感器节点跳数小于自身传感器节点跳数的传感器节点划分到近集合CS中；

(3)将邻居传感器节点跳数大于自身传感器节点跳数的传感器节点划分到远集合FS中；随机游走阶段的候选集合即candidate set由等效集合ES和远集合构成FS，将从候选集合中删除随机游走路径中已有的传感器节点，选择候选集中剩余能量最多的传感器节点转发数据，随机游走的长度为H₁跳，每转发一次数据包H₁减1，直到减到0为止，随机游走阶段结束，随机游走阶段的最后一个传感器节点称中间节点C_node，随机游走阶段过程如下：

S1：传感器节点发现监测对象，传感器节点收集信息成为源节点即source node；

S2：将传感器节点加入RW路由路径中；

S3：传感器节点将邻居传感器节点划分三个集合ES，CS，FS，将ES和FS构成候选集candidate set；

S4：从候选集中candidate set删除RW路由路径中已有传感器节点；

S5：候选集中candidate set中的剩余能量最多的节点成为下一跳转发传感器节点，将传感器节点加入RW路由路径中，H₁＝H₁-1；

S6：如果H₁不等于0，重复步骤S3-步骤S6，如果H₁的值等于零，转到步骤S7；

S7：随机游走阶段结束，记录结束时所停留的传感器节点；

2-2)建立最短路径路由MHR阶段：随机游走阶段结束时数据包到达C_node，C_node沿最短路径路由将真实数据包转发到基站，定义源节点周围半径为d的范围内为可视区域，C_node节点与可视区域做切线，两条切线与基站之间的夹角范围为[α₁，α₃]，定义随机游走阶段的传感器节点与C_node节点的角度覆盖范围为[α₂，α₄]，α的范围定义为[min(α₁，α₂)，max(α₃，α₄)]，min(α₁，α₂)定义为α₁与α₂中的较小者，max(α₃，α₄)定义为α₃与α₄中的较大者，最短路径的传感器节点的角度范围β是2π-α，即除α范围以外的角度，最短路径路由的候选集合是CS集合中的传感器节点，从CS中选择属于β角度范围内并且剩余能量最多的传感器节点成为转发传感器节点，在MHR上的传感器节点以概率p成为路径分支初始传感器节点即Bran_n-0，其中，n＞0，参数p控制分支路径Bran_n，n＝1......N的数量，路径分支初始传感器节点的hop值(Bran_n-0-hop)，与p的关系用正比例线性关系描述，概率P使用门限值ω来控制，若Bran_n-0传感器节点距BS节点远则采用较大的p值，反之，则采用较小的概率值，概率p如公式(1)所示：

建立最短路径路由MHR的过程如下：

S1：中间节点C_node节点产生分支路由路径Bran₀；

S2：获取可视区域与C_node节点切线，以C_node节点为顶点，该两条切线与基站之间的夹角范围为[α₁，α₃]；

S3：获取RW阶段所有传感器节点与C_node节点、基站节点的夹角、RW阶段所有传感器节点的夹角范围[α₂，α₄]；

S4：α的范围为[min(α₁，α₂)，max(α₃，α₄)]；

S5：当前传感器节点的候选集candidate set由CS集合中传感器节点角度范围在β范围内的传感器节点构成，选择候选集中剩余能耗最多的传感器节点成为转发传感器节点；

S6：使用公式(1)更新概率p，当前传感器节点以概率p产生分支路径Bran_n，n＞0；

S7：转发节点成为当前传感器节点；

S8：如果当前传感器节点为基站节点，结束；否则，重复步骤S5-步骤S8；

2-3)创建分支路径阶段：C_node节点处产生一条分支路径Bran₀，C_node是分支路径的初始传感器节点又被称为Bran_0-0，Bran₀的转发候选集由ES集合和FS集合构成，将从候选集合中删除Bran₀路径中已有的传感器节点，候选集中剩余能量较多传感器节点成为伪源节点，Bran₀路径长度为H₂，Bran₀路径长度与随机游走长度相等即H₂＝H₁，分支路径Bran_n，其中，n＞0，初始节点为MHR上的传感器节点以概率p选择的传感器节点，Bran_n-0，其中，n＞0的转发候选集由Bran_n-0与ES集合和FS集合中的节点、基站节点，构成的角度为θ，角度θ在[γ-ε，γ+ε]范围内的传感器节点构成，γ为分支路径的控制角度，ε为范围调整参数，从候选集合中删除Bran_n路径中已有的传感器节点，转发候选集合为空则增加参数ε的值，候选集中剩余能量最多的传感器节点成为伪源节点，H₃为分支路径的长度，H₃为：其中n≠0，τ为路径长度调整参数，产生一个伪源节点H₃值减1，循环往复直到H₃的值为0；

其中，创建C_node节点处的分支路径Bran₀的过程如下：

S1：初始伪源节点为Bran_0-0，并将传感器节点加入Bran₀路由路径中；

S2：伪源节点的候选集为ES集合和FS集合，从候选集中删除Bran₀中已有的传感器节点；

S3：选择候选集中剩余能量最多的传感器节点成为新的伪源节点，并将伪源节点加入Bran₀路由路径中，伪源节点产生虚假数据包，H₂＝H₂-1；

S4：如果H₂的值不等于零，继续选择新的伪源节点，重复步骤S2-步骤S4，如果H₂的值等于零，转到步骤S5；

S5：Bran0结束；

创建分支路径Bran_n，其中，n＞0的过程如下：

S1：初始伪源节点为Bran_n-0，并将传感器节点加入Bran_n路由路径中；

S2：伪源节点的候选集为ES集合和FS集合，从候选集中删除Bran_n-0已有传感器节点；

S3：候选集中的传感器节点的角度范围在γ范围内的传感器节点，且剩余能量最多的传感器节点成为新的伪源节点，并将伪源节点加入Bran_n路由路径中，H₃＝H₃-1；

S4：H₃的值不等于零，继续选择新的伪源节点，重复步骤S2-步骤S4，如果H₃的值等于零，转到步骤S5；

S5：Bran_n结束。