[发明专利]一种水声传感器网络中基于分簇结构的位置隐私保护方法

权利要求书

1.一种水声传感器网络中基于分簇结构的位置隐私保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)网络划分

将水声传感器网络划分成静态层和动态层，每层都有一个AUV进行数据的传输；

(2)节点成簇

确定簇头的数目和位置后，其他节点根据就近原则加入相应的簇，然后根据节点的剩余能量和到基站的位置选出辅助簇头；

(3)数据传输

一部分辅助簇头进行真实数据包的传输，另一部分辅助簇头生成虚假数据包并进行虚假数据包的传输，然后通过多跳传输和AUV将数据包传输到基站，节点之间的传输通过邻居列表选出下一跳，AUV的路径规划基于Q-learning来实现；

所述步骤(2)的具体步骤如下：

(2.1)确定簇头的数目和位置

首先，确定簇头的数量

假设UASNs中初始簇头的数量为C，传感器节点总数为M，平均每个簇内传感器节点数目为M/C；如果网络大小为L×L×L，则最佳初始簇头数目的计算公式如下：

d_E(toBS)是节点到基站距离的期望值；

然后，需要确定簇头的位置

基于LEACH协议，传感器节点随机生成一个随机数x,且x∈[0,1],如果x小于对应的阈值Th，则该节点被选举成为簇头，Th的计算公式如下：

P是节点当选簇头的概率；r是当前轮数；ρ为传感器节点的密度，定义为通信范围内的节点数和总节点数之比；D为节点深度，D_max为位于最底部节点和最顶层节点的距离；

(2.2)成簇

确定C个簇头的位置后，其他普通传感器节点根据就近原则进入相应的簇，每个普通传感器节点根据下面公式(3)计算其到选定簇头的欧氏距离，然后加入欧式距离最小的簇头；欧式距离的计算公式如下：

E＝dist(C,x)² (3)

C表示簇头，x表示簇内普通传感器节点；

(2.3)选择辅助簇头

簇头的数目和位置确定后，簇内每个簇头就充当该簇的主簇头；主簇头的任务是收集簇内普通传感器节点的感应到的数据，然后进行数据融合和数据分片，然后将分片后的数据发送到辅助簇头；

辅助簇头分为两种，一种是接收到主簇头发送来的数据的辅助簇头，是将接收到的数据向上传输给基站；另一种是没有接收到主簇头发送来的数据的辅助簇头，是生成虚假数据包，连同其他辅助簇头的真实数据包向上传输给基站；

辅助簇头的选择是根据节点的剩余能量和节点到基站的距离来选择的，辅助簇头影响因子为A，A值越大，被选择成为辅助簇头的概率越高，A的计算公式如下：

E_left是节点的剩余能量，b是常数，d_toBS是节点到基站的距离。

2.根据权利要求1所述的一种水声传感器网络中基于分簇结构的位置隐私保护方法，其特征在于：所述步骤(1)中：

将距离海洋表面200m的区域设定为动态层，将距离海洋表面超过200m的区域设定为静态层；重要设备锚定在静态层的海床上，静态层的传感器节点首先进行分簇，选出主簇头和辅助簇头，借助主簇头和辅助簇头将普通传感器节点收集到的数据向上传输到动态层，然后将数据路由到基站。

3.根据权利要求1所述的一种水声传感器网络中基于分簇结构的位置隐私保护方法，其特征在于：所述步骤(3)的具体步骤如下：

(3.1)簇内数据传输

决定完主簇头和辅助簇头后，簇内其他节点将感测到的数据发送给主簇头，由主簇头进行数据融合，主簇头数据融合完成后，进行数据分片，然后传输给随机选择的若干个辅助簇头，由辅助簇头向上传输；剩余的辅助簇头则生成虚假的数据包向上发送；

(3.2)静态层和动态层交界处数据传输

1)辅助簇头在其通信范围里感应不到静态层AUV，则辅助簇头将数据包传输到动态层最近节点，如果动态层最近节点在时间t内感应不到动态层AUV，则它直接将数据包传输到基站；

2)辅助簇头在其通信范围里感应不到静态层AUV，则辅助簇头将数据包传输到动态层最近节点，如果动态层最近节点在时间t内感应到动态层AUV，则由动态层AUV上浮到基站发送数据包给基站；3)辅助簇头在其通信范围里感应到静态层AUV，则辅助簇头将数据包发送给静态层AUV，静态层AUV上浮到静态层和动态层交界处，将数据包发送给动态层AUV，由动态层AUV上浮到基站发送数据包给基站；

(3.3)多跳数据传输

如果动态层节点在时间t内在其通信范围内感应不到动态层AUV，则该节点将直接将数据包传输到基站，该过程利用节点的邻居列表来实现；每个节点都有一个邻居列表，该邻居列表定期进行更新，邻居列表存储的内容为本节点和其邻居节点到达基站的跳数；

在节点传输数据包到基站过程中选择下一跳时，选择邻居列表中比该节点距离基站跳数的更小或相同的任一节点，直到传输到距离基站只有一跳的节点，该节点直接将数据包传输到基站；

(3.4)AUV数据传输

AUV的路径是基于Q-learning进行规划的，通过建立环境状态模型、行为动作模型、奖赏函数模型，按规划好的路径在水声传感器网络中游行。