[發明專利]一種水聲傳感器網絡中基于分簇結構的位置隱私保護方法

有效

• 申請號: 202010541724.2
• 申請日: 2020-06-15
• 公開（公告）號: CN111541494B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 韓光潔;陳玉思
• 申請（專利權）人: 河海大學常州校區
• 主分類號: H04B13/02
• 分類號: H04B13/02;H04W84/18;H04L12/715;H04W12/00;H04W12/02;H04W40/32
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 丁濤

1.一種水聲傳感器網絡中基于分簇結構的位置隱私保護方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)網絡劃分

將水聲傳感器網絡劃分成靜態層和動態層，每層都有一個AUV進行數據的傳輸；

(2)節點成簇

確定簇頭的數目和位置后，其他節點根據就近原則加入相應的簇，然后根據節點的剩余能量和到基站的位置選出輔助簇頭；

(3)數據傳輸

一部分輔助簇頭進行真實數據包的傳輸，另一部分輔助簇頭生成虛假數據包并進行虛假數據包的傳輸，然后通過多跳傳輸和AUV將數據包傳輸到基站，節點之間的傳輸通過鄰居列表選出下一跳，AUV的路徑規劃基于Q-learning來實現；

所述步驟(2)的具體步驟如下：

(2.1)確定簇頭的數目和位置

首先，確定簇頭的數量

假設UASNs中初始簇頭的數量為C，傳感器節點總數為M，平均每個簇內傳感器節點數目為M/C；如果網絡大小為L×L×L，則最佳初始簇頭數目的計算公式如下：

d_E(toBS)是節點到基站距離的期望值；

然后，需要確定簇頭的位置

基于LEACH協議，傳感器節點隨機生成一個隨機數x,且x∈[0,1],如果x小于對應的閾值Th，則該節點被選舉成為簇頭，Th的計算公式如下：

P是節點當選簇頭的概率；r是當前輪數；ρ為傳感器節點的密度，定義為通信范圍內的節點數和總節點數之比；D為節點深度，D_max為位于最底部節點和最頂層節點的距離；

(2.2)成簇

確定C個簇頭的位置后，其他普通傳感器節點根據就近原則進入相應的簇，每個普通傳感器節點根據下面公式(3)計算其到選定簇頭的歐氏距離，然后加入歐式距離最小的簇頭；歐式距離的計算公式如下：

E＝dist(C,x)² (3)

C表示簇頭，x表示簇內普通傳感器節點；

(2.3)選擇輔助簇頭

簇頭的數目和位置確定后，簇內每個簇頭就充當該簇的主簇頭；主簇頭的任務是收集簇內普通傳感器節點的感應到的數據，然后進行數據融合和數據分片，然后將分片后的數據發送到輔助簇頭；

輔助簇頭分為兩種，一種是接收到主簇頭發送來的數據的輔助簇頭，是將接收到的數據向上傳輸給基站；另一種是沒有接收到主簇頭發送來的數據的輔助簇頭，是生成虛假數據包，連同其他輔助簇頭的真實數據包向上傳輸給基站；

輔助簇頭的選擇是根據節點的剩余能量和節點到基站的距離來選擇的，輔助簇頭影響因子為A，A值越大，被選擇成為輔助簇頭的概率越高，A的計算公式如下：

E_left是節點的剩余能量，b是常數，d_toBS是節點到基站的距離。

2.根據權利要求1所述的一種水聲傳感器網絡中基于分簇結構的位置隱私保護方法，其特征在于：所述步驟(1)中：

將距離海洋表面200m的區域設定為動態層，將距離海洋表面超過200m的區域設定為靜態層；重要設備錨定在靜態層的海床上，靜態層的傳感器節點首先進行分簇，選出主簇頭和輔助簇頭，借助主簇頭和輔助簇頭將普通傳感器節點收集到的數據向上傳輸到動態層，然后將數據路由到基站。

3.根據權利要求1所述的一種水聲傳感器網絡中基于分簇結構的位置隱私保護方法，其特征在于：所述步驟(3)的具體步驟如下：

(3.1)簇內數據傳輸

決定完主簇頭和輔助簇頭后，簇內其他節點將感測到的數據發送給主簇頭，由主簇頭進行數據融合，主簇頭數據融合完成后，進行數據分片，然后傳輸給隨機選擇的若干個輔助簇頭，由輔助簇頭向上傳輸；剩余的輔助簇頭則生成虛假的數據包向上發送；

(3.2)靜態層和動態層交界處數據傳輸

1)輔助簇頭在其通信范圍里感應不到靜態層AUV，則輔助簇頭將數據包傳輸到動態層最近節點，如果動態層最近節點在時間t內感應不到動態層AUV，則它直接將數據包傳輸到基站；

2)輔助簇頭在其通信范圍里感應不到靜態層AUV，則輔助簇頭將數據包傳輸到動態層最近節點，如果動態層最近節點在時間t內感應到動態層AUV，則由動態層AUV上浮到基站發送數據包給基站；3)輔助簇頭在其通信范圍里感應到靜態層AUV，則輔助簇頭將數據包發送給靜態層AUV，靜態層AUV上浮到靜態層和動態層交界處，將數據包發送給動態層AUV，由動態層AUV上浮到基站發送數據包給基站；

(3.3)多跳數據傳輸

如果動態層節點在時間t內在其通信范圍內感應不到動態層AUV，則該節點將直接將數據包傳輸到基站，該過程利用節點的鄰居列表來實現；每個節點都有一個鄰居列表，該鄰居列表定期進行更新，鄰居列表存儲的內容為本節點和其鄰居節點到達基站的跳數；

在節點傳輸數據包到基站過程中選擇下一跳時，選擇鄰居列表中比該節點距離基站跳數的更小或相同的任一節點，直到傳輸到距離基站只有一跳的節點，該節點直接將數據包傳輸到基站；

(3.4)AUV數據傳輸

AUV的路徑是基于Q-learning進行規劃的，通過建立環境狀態模型、行為動作模型、獎賞函數模型，按規劃好的路徑在水聲傳感器網絡中游行。