一种基于时空相关性的WSN安全路由协议

宁林

（电子科技大学中山学院，中山528402）

一种基于时空相关性的WSN安全路由协议

宁林

（电子科技大学中山学院，中山528402）

针对现有无线传感器网络中存在的许多路由协议仅考虑节能因素而没考虑安全因素，而那些专门为安全而设计的路由协议存在开销较大、算法复杂等问题，提出一种安全节能的分簇路由协议TLEACH-STC。该协议在TLEACH的基础上，利用WSN中数据之间具有的时空相关性，使上述问题得到很好的平衡。实验结果表明该协议的有效性。

无线传感器网络；TLAECH协议；时空相关性

0　引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）中能源和安全一直是困扰研究人员的两个重要问题。因此，如何解决这两个问题是当前WSN的研究热点。例如，分簇能有效节约能量问题，如LEACH[1]、HEED[2]等都是分簇的路由协议；SPINS[3]、INSENS[4]、TLAECH[5]等都是基于安全提出的路由协议。

以上协议虽然具有较好的性能，但忽略了传感数据之间具有的时空相关性[6]。实际上，一个传感器节点可以同时采集多种数据，这些不同的数据之间具有空间相关性。同种数据中随着时间的变换也会呈现出时间相关性。挖掘出传感数据之间的这种时空相关性，可以大大地减少冗余信息。

因此，本文在TLEACH协议的基础上提出了一种时空相关的TLEACH-STC协议，利用传感数据之间存在的时空相关性来减少冗余数据，从而使协议在安全性和节能上达到很好的平衡。实验结果表明，该协议通过利用数据之间的时空相关性，使得在安全和节能上达到了很好的平衡，具有有效性。

1　协议的设计与实现

在实际应用中，大量的传感器节点连续采集数据，使得WSN具有时空相关性。由于WSN中节点的部署密度较大，往往使得空间上相近的传感器节点检测到同一事件，从而得到的观测值具有很高的相关性。此外，由于传感器节点连续性地采集数据，使得单节点在相近采样时间上采样到的数据具有很高的相关性。

针对TLEACH协议中簇头选举时忽视了节点当前的剩余能量和簇头负载过重的缺点，利用传感数据之间存在的时空相关性，提出了一种时空相关的TLEACH-STC协议，该协议可分为：区域划分、簇头选举与成簇阶段、簇头更新与簇重建和数据传输。

1.1区域划分

区域划分又可分为以下步骤：

（1）由于第一轮具有时空相关性的数据无法辨别，所以第一轮仍使用TLEACH协议原有的方式成簇；

（2）基站通过分析由簇头传输来的数据和对应ID，找出具有时空相关性的区域和对应ID，同时为各个具有时空相关性的区域分配一个特征值；

（3）基站对网络节点发布消息，其中包括区域特征值和相应ID；

（4）每个节点分别对比自身ID以及目标ID，若自身ID属于目标ID，则接收消息并将含有的区域特征值保存下来，同时把这一特征值添加到之后发送的消息内，若不属于，则丢弃。

1.2簇头选举与成簇阶段

（1）簇头选举

在1.1结束后，网络进入簇头选举阶段，可分以下步骤：

①各节点将含有区域特征值、剩余能量和ID的信息传播给邻居节点。

②各节点对比邻居节点和自身的特征值，若相同，则把相应信息存储在自身的邻接表里；反之，则不接收。

③每个节点从其邻接表里选出剩余能量最大的邻节点发送消息，并宣布自己为簇头。

（2）成簇阶段

①收到簇头信息的节点先比较簇头信息里的区域特征值与自身的特征值。若相同，则接收；反之，则丢弃。如果在Ti里，节点接收到多个簇头发来消息，则选择信号强度最大的加入。

②若收到簇头信息的节点本身是簇成员节点，则只需将该簇头信息储存在自身的簇头邻接表里；反之，则先需要将自身身份转为簇成员节点，然后向源方发送加入消息。

③簇头在接收到簇成员节点的加入请求之后，把相应信息添加至其簇成员列表里，再对簇成员节点发送确认信息。在接收到确认信息后，簇成员节点即加入簇，并等待信息发送。

④在K轮后，一级簇基本形成。此时，又需分为2种情况：

●若簇头的簇头邻接表为空，则说明该数据相同区只有一个簇；

●反之，则说明数据相同区形成了多个簇，就要进行二级簇的建立。方法如下：

每个簇头节点先直接向距离自己最近且剩余能量大于自己的邻居簇头发送加入消息，邻居簇头再返回确认信息，接着把相应二级簇成员节点添加至其二级簇成员列表里，同时把剩余能量最大的簇头节点作为最后的二级簇头节点。完成成簇阶段后，各级簇头将数据融合后把其传送给基站。

1.3簇头更新与簇重建

因为WSN中数据间具有时空相关性，所以具有时空相关性的区域在一定时间里没有必要进行重新划分。但基于簇头节点相较普通节点耗能更大和为了延长整个网络生存时间，本文采取对簇头进行更新，并重新分簇，从而使得网络能量均衡，以达到延长网络生存时间的目的。可分为三种情况：

（1）对簇头进行更新和重新分簇只要在具有相同时空相关性的区域内进行即可，所以只要把每个节点初始化为自由节点，然后从2.2开始进行；

（2）一段时间过后，一开始划分的区域内一定会出现采集信息差异较大的节点，此时基站则需要分析区域是否需要重新划分。若需要，则从2.1开始进行；

（3）当簇头节点死亡时，才要重新分簇。若有新节点加入，新节点通过邻居节点发送的消息自动分析确定自身的区域特征值。网络再重新分簇，在选择簇头上对新加入的节点有优先权。

1.4数据传输

最后进入数据传输阶段，簇头和各簇成员均采取的是原有的TLEACH的方式。

簇成员节点在每次发送消息前先保存好收集到的信息，下一次给簇头节点发送消息之前，先对比新收集到的信息与上次保存的信息，由于WSN中数据间具有时间相关性，所以在短时间内连续发送的信息相似度很高，于是节点只需要把必要的区域特征值等信息发送即可，而最后的信息只需要簇头节点传输即可。对于有二级簇的区域，也只要二级簇头节点发送数据消息。采用上述方式，可大大减少了冗余数据的传输，从而降低了能量消耗。

2　实验与仿真

本文以MATLAB 7.0作为仿真工具，模拟了一个仿真场景，如图1所示。假设200个传感器节点随机分布在200m×200m的区域内，Sink点离网络较远，位于（100,250）的位置，每个节点的初始能量一致，均为0.5焦耳（J）。

图1　仿真场景图

2.1网络生存周期

图2为TLEACH和TLEACH-STC协议的网络生存周期对比图。如图2所示，TLEACH协议节点大概从第160轮开始失效，直至第800轮生存周期结束。而TLEACH-STC能较好地均衡能耗，在第240秒时才开始有节点失效，直至第1100轮时，才结束。可见由于TLEACH-STC考虑了时空相关性，并根据时空相关性分簇，可以大大减少了能耗，从而延长网络生存时间。

2.2网络总能耗

图3为TLEACH和TLEACH-STC协议网络剩余总能量对比图。由图3可以看出，TLEACH-STC协议的节点能量下降曲线比TLEACH协议平缓。经分析，主要是由于TLEACH-STC考虑了节点之间的时空相关性，从而在每轮通信中大量减少了冗余数据，降低了节点间的通信能耗。

3　结语

本文在TLAECH协议的基础上，提出了一种时空相关的TEACH-STC协议，该协议利用传感数据之间存在的时空相关性来减少冗余数据，实验结果表明，该协议相对TLEACH协议具有更好的特性，使得在安全和节能上达到了很好的平衡。

图2　网络生存周期对比图

图3　网络剩余总能量对比图

[1]Heinzelman W,Chandrakasan A,Balakrishnan H.Energy-Efficient Communication Protocol for Wireless Microsensor Networks.In: Proc.of the 33rd Annual Hawaii Int'l Conf.on System Sciences.Maui:IEEEComputer Society,2000

[2]Younis O,Fahmy S.HEED:A Hybrid,Energy-Efficient,Distributed Clustering Approach for Ad Hoc Sensor Networks[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2004

[3]Perrig A,Sivalingam R,Wcn V,eta1.SPINS:Security Protocols for Sensor Networks[J].Wireless Networks，2002

[4]Deng J，Han R，Mishra S.INSENS:Intrusion-Tolerant Routing in W ireless Sensor Networks[J].Computer Communications，2006

[5]宋飞.无线传感器网络安全路由机制的研究[D].安徽:中国科学技术大学，2009

[6]Akyildiz IF,Vuran M C,Akan O B.On Exploiting Spatial and Temporal Correlation in Wireless Sensor Networks[C].Proc ofWiOpt, 2004

Wireless Sensor Networks;TLEACH Routing Protocol;Temporal-Spatial Correlation

A Secure Routing Protocol Based Tem poral-Spatial Correlation forW ireless Sensor Networks

NING Lin

（University of Electronic Science and Technology of China,Zhongshan Institute,Zhongshan 528402）

Introduces a new secure and energy saved routing protocol TLEACH-STC,it is focused on existing issues of protocols in wireless sensor networkswhat just considered energy saving only without security concern or designed for security only ignored large overheads and complex algorithm,so on.Considering temporal-spatial correlation of sensed data,this protocol is built up based on TLEACH protocol.It balances above existing issues of protocols in WSNs.Simulation results show that the new routing protocol is effective.

1007-1423（2015）16-0008-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.16.002

宁林（1988-），女，广东信宜人，硕士研究生，助理实验师，研究方向为无线传感器网络

2015-05-25

2015-06-01