基于Sink信任评估值的无线传感器网络分簇方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于Sink节点信任值评估的无线传感器网络分簇方法，主要解决了现有技术中无线传感器网络安全性控制不足，能耗均衡细化不够，以及对于网络节点的资源要求高的问题。其实现步骤是：1.节点统计与邻居节点的交互情况；2.Sink节点根据节点所发送的交互情况评估所有节点的信任值；3.Sink节点根据信任值评价选择新的分簇簇头；4.其余非簇头节点根据通信开销选择入簇。本发明综合考虑了分簇网络安全性以及简单性的需求，提供了一种分簇方法，提升了网络整体能量的均衡性，延长了网络的生命周期，提高了网络的安全性，降低了网络节点的成本。
【专利说明】基于Sink信任评估值的无线传感器网络分簇方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信【技术领域】，更进一步涉及一种无线传感器网络的分簇方法，可用 于提高带有Sink节点的无线传感器网络的安全性。
【背景技术】
[0002] 无线传感器节点作为物联网不可缺少的一部分，其所组成的无线传感器网络具有 快速展开，抗毁性强，无需人监管等特点，这些节点往往需要部署于恶劣的环境中，节点的 安全性很容易受到威胁，比如节点毁坏，信息窃取，ID伪装，信息修改等手段，很容易对无线 传感器网络造成严重影响。因此，无线传感器网络路由设计必须要考虑网络的安全性。另 夕卜，由于传感器节点能够携带的资源有限，故节能和协议的简单性必须要作为无线传感器 网络路由设计的又一重要目标。
[0003] 分簇无线传感器网络能够很好的降低WSN网络的整体能耗水平，并且在一定程度 上提高WSN网络的安全性。分簇是对网络中的节点进行层次划分，若干地理位置相邻的节 点构成一个簇，在每个簇内通过一定的簇头选举机制选举出一个簇头节点，其它节点作为 簇的成员节点。成员节点将采集到的数据直接传送给簇头节点，而簇头节点将数据融合后 发送到Sink节点。由于不需要复杂的路由协议来进行数据的转发，对于普通节点来说，其 能耗大大降低，通过周期性进行分簇，可以均衡簇头节点与非簇头节点的能耗水平。同时通 过在分簇时进行一些简单的认证或引入信任值评估等方法提升网络的安全性。
[0004] 针对网络整体能耗的均衡，主要有基于网络节点分布的分簇算法和基于节点剩余 能量的分簇算法：
[0005] 基于网络节点分布的分簇算法，比如钱开国等人提出的基于局部区域节点分布控 制的非均匀分簇算法-HNDCRA，其采用虚拟网格划分，根据网络中节点总的数目计算所需的 最佳簇头数目，计算出每个网格中所需的最佳簇头数目，在每个网格中采用基于LEACH的 算法选择出簇头，最终控制簇头节点均匀分布到传感器网络中，其实现机制比较简单，能够 应用于非均匀分布的WSN环境中，该算法能够较为均匀的选择簇头，较好的均衡传感器网 络的能耗，延长网络的生存期。但是由于该算法在网格的内部采用的是LEACH簇头选举算 法，簇头的选择基于每一轮的选举，其中当选过簇头的节点在接下来的1/P轮中将不能当 选为簇头，其对于整个网络的能量均衡须依赖于两个条件：一是所有节点的初始能量相同； 二是每个节点在其担任簇头期间所耗费的能量均等，第一个条件较容易满足，但是对于第 二个条件，由于在实际WSN网络中成员节点数据的发送是随机的，故簇头节点通信能耗很 难保证一样；并且由于在每一轮中簇头节点与簇内普通节点或者Sink节点的距离是不同 的，节点的发送功率不同，故簇头所耗费的能量很难一样。该算法对于网络整体的能量均衡 细化是不足够的。
[0006] 基于节点剩余能量的分簇算法，比如Younis等人提出的HEED簇头选举方法，这种 算法对于整个网络节点的能量水平考察和通信开销控制都比较细致，其对于簇头的选举主 要依靠节点的剩余能量，具有比周围节点能量多的节点以较高的概率成为临时簇头，临时 簇头节点计算并广播本节点到每个邻居节点的最小平均可达功率AMRP。其它节点如果发现 在邻居节点中有临时簇头，则选择通信代价最小即AMRP值最小的节点作为自己的临时簇 头。如果临时簇头节点发现邻居节点中有临时簇头节点，且自身的AMRP值最小，并且自身 成为簇头的概率值CHprob = 1，则宣布自身为最终簇头，否则临时簇头节点不改变自己的临 时簇头的状态。如果邻居节点中没有临时簇头，则将本节点的CHprob乘以2,并以该CHprob概 率推荐自己成为临时簇头，如此迭代下去，直至临时簇头与节点的比例等于所预设定的簇 头节点比，临时簇头宣布自身作为最终簇头，其它节点选择AMRP值最小的临时簇头入簇， 在迭代过程中，当某个节点CHpMb的值为1时，该节点算法作最后一次迭代，临时簇头宣布自 己成为最终簇头。节点成为临时簇头的概率计算公式为：
【权利要求】
1. 一种基于Sink信任评估值的无线传感器网络分簇方法，包括如下步骤： (1) 初始化分簇网络： la) Sink节点利用HEED分簇方法对无线传感器网络进行初始化分簇，选择出占网络节 点总数目5%的簇头，并将这些簇头信息广播出去； lb) 簇头节点计算并广播簇头节点到每个邻居节点的最小平均可达功率值； lc) 非簇头节点选择最小平均可达功率值最小的簇头节点，并加入该簇头节点所形成 的簇，作为该簇的簇内节点； (2) 簇头节点和簇内节点均记录在初始化分簇网络建立后与邻居节点的交互情况，即 成功与失败的次数；Sink节点记录在初始化分簇网络建立后与簇头节点的交互情况，并周 期性的检测所有的簇头节点剩余能量，当某个簇头节点能量过低时，无线传感器网络将进 行新的一轮的分簇； (3) Sink节点通知所有的簇头节点，簇头节点将广播通知所有的簇内节点，簇内节点计 算其与邻居节点之间的直接信任评价值： TRd= (S+l)/(S+F+2) 其中S为邻居节点与簇内节点交互成功的次数，F为邻居节点与簇内节点交互失败的 次数； (4) 簇内节点计算所有邻居节点直接信任评价值，附加上节点的信任评价值时间戳和 交互情况记录，发送给Sink节点； (5) 簇头节点接收到本簇内所有簇内节点的信任评价数据之后，簇内节点将自身所 存储的与其它节点的交互记录删除，簇头节点将所有的信任值数据进行整合之后，发送给 Sink节点； (6)Sink节点接收到所有的簇头节点所发送的信任评价值数据后，开始计算节点的信 任评价值： 6a)簇头节点的直接信任评价值基于步骤（3)所述直接信任评价值计算的方法，计算Sink节点对簇头节点的直接信任评价值： TRchi = (S1+l)/(S1+F1+2) 其中S1为簇头节点与其它簇头节点交互成功的次数，F1为簇头节点与其它簇头节点交 互失败的次数； 6b)利用所有的簇内节点对簇头节点的直接信任评价值，得到Sink节点对簇头节点i的信任评价值：
其中为簇内节点k与簇头节点i的交互次数，N为簇头节点i所在簇的所有簇内节 点与簇头节点i交互的总的次数和，为簇内节点k对于簇头节点i的直接信任评价值， Ndli为簇头节点i与其它簇头和Sink节点的总交互次数，包括成功与失败的情况； 6c)Sink节点计算簇内节点k的信任评价值：
M为节点i与节点k的交互次数，TRki为节点i对于节点k的直接信任评价值； 6d)Sink节点利用以上计算得到的信任评价值与Sink节点所存储的历史信任评价值 评价，计算总的信任评价值： TR=--·77?,.+Λ| ·77?, N+N1N+N1 式中，TR'为Sink节点对节点i的新的信任评价值，N为Sink节点所统计的节点i的 所有交互次数，TR为Sink节点所存储的节点i的历史信任评价值，N1为Sink节点所存储 的历史邻居节点交互次数； (7) Sink节点根据信任评估值利用CHTE方法选择簇头节点； (8) Sink节点根据所选的簇头节点建立分簇网络： 8a)Sink节点广播经过步骤7选择出的簇头节点的消息给所有的网络节点； 8b)簇头节点接收到消息之后，发送一个回应消息REP给Sink节点； 8c)Sink节点选择信任评估值最低的节点加入信任黑名单，并将信任黑名单发送给簇 头节点； 8d)簇头节点发送消息通知信任黑名单之外的非簇头节点入簇； 8e)非簇头节点根据接收到的簇头节点所发送的消息的信号强度大小，选择信号强度 最大的簇头节点作为其簇头入簇； 8f)Sink节点判断网络中节点入簇情况：如果除黑名单中节点之外所有节点均已入 簇，则分簇网络建立完成，否则，Sink节点根据节点地理位置选择距离未入簇的节点最近的 簇，并发送消息通知未入簇的节点加入所选择的簇。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤7)所述的Sink节点根据信任评估值利用CHTE方法选择簇头节点，按如下步骤进行： 7a)Sink节点将整个网络划分为若干个相同大小区域，并根据网络中节点的位置，统计 每个区域内的节点数目，并利用HNDCRA方法按照5%的比例计算出每个区域的最佳簇头数 目bn; 7b)Sink节点利用CHTE方法选择出第一个区域内的bn个最优簇头： 7bl)Sink节点根据其对该区域内的所有节点信任评价值，选择出信任评价值最大的η个节点组成最大信任评价值集合A; 7b2)Sink节点根据该区域内所有节点的剩余能量值，选择剩余能量值最大的m个节点 组成剩余能量最大值集合B; 7b3)Sink节点比较上述集合A与B，选择出同时存在于A和B中的节点组成最优簇头 集合C; 7b4)将最优簇头集合C中节点数与最佳簇头数目bn进行比较： 若最优簇头集合C中节点数目小于最佳簇头数目bn，则判断最大信任评价值集合A中 元素数目η是否大于剩余能量最大值集合B中元素数目m，若η大于m，则将m值加1，反之， 将η值加1 ; 7b5)并重复步骤7bl)至步骤7b3)，直到最优簇头集合C中的节点数目等于最佳簇头 数目bn，并将最优簇头集合中的所有节点作为Sink节点所选择出的该区域内的簇头节点； 7c)Sink节点重复利用步骤7bl)至步骤7b5)，依次选择出其余各区域内bn个簇头节 点。
【文档编号】H04W40/10GK104320823SQ201410577757
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】陈晨, 齐华林, 薛刚, 裴庆祺, 李亚娟, 张宁 申请人:西安电子科技大学