無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)壓縮與數(shù)據(jù)認證研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSN)潛在的廣泛應用前景吸引了眾多研究者,是目前一個非?；钴S的研究領域。如何在資源受限、節(jié)點密集分布的WSN中實現(xiàn)低能耗、高安全的數(shù)據(jù)收集是研究人員需要解決的一個重要問題。由于傳感器節(jié)點通常具有一定的數(shù)據(jù)處理能力,因此可以通過傳感器節(jié)點間的協(xié)作,在網(wǎng)內(nèi)對原始傳感數(shù)據(jù)進行處理,再將處理結(jié)果傳送到Sink節(jié)點,以減少傳輸數(shù)據(jù)量、降低能耗、提高帶寬利用率、延長網(wǎng)絡壽命。同時,

2、在數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink的過程中,要考慮數(shù)據(jù)的機密性、源認證、完整性、新鮮性等安全需求。
　　 本文以能量、延遲、安全為目標,圍繞無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)收集問題展開研究,著重研究數(shù)據(jù)采集和傳輸過程中數(shù)據(jù)壓縮算法和數(shù)據(jù)認證機制。主要工作和貢獻包括以下幾個方面:
　　 (1)針對傳感器數(shù)據(jù)中的時間相關性和多屬性間相關性,研究了基于小波和回歸的無窮范數(shù)誤差有界的數(shù)據(jù)壓縮算法。主要工作包括:①提出了單屬性數(shù)據(jù)的誤差有界小波壓縮算法(

3、SWCEB)。通過分析一維Haar小波變換過程,設計誤差樹便于分析每個小波系數(shù)所影響的重構(gòu)數(shù)據(jù)及帶來的誤差;SWCEB從整體上選擇小波系數(shù),使保留的系數(shù)個數(shù)最少且每個重構(gòu)數(shù)據(jù)的誤差有界。分析和實驗表明,SWCEB消除了單個數(shù)據(jù)流中的時間相關性,減少了數(shù)據(jù)量。②提出了基于回歸的多屬性數(shù)據(jù)的誤差有界小波壓縮算法(MWCEB)。若單個傳感器節(jié)點可以采集多種物理量,即產(chǎn)生多維數(shù)據(jù)流,則根據(jù)相關系數(shù)矩陣選擇其中的若干個數(shù)據(jù)流作為基信號,其它數(shù)據(jù)流

4、借助一個基用線性回歸參數(shù)來表示。基數(shù)據(jù)流采用SWCEB壓縮;非基數(shù)據(jù)流采用MWCEB壓縮。通過調(diào)整收益界和每次處理的數(shù)據(jù)個數(shù),MWCEB可以確保回歸重構(gòu)出的數(shù)據(jù)誤差有界。此外,MWCEB可降低多個數(shù)據(jù)流(簇頭)或多維數(shù)據(jù)流(多模節(jié)點)中的相關性。
　　 (2)雖然MWCEB可以確保誤差有界,但需要人工干預。如果相鄰的數(shù)據(jù)變化劇烈,將難以用一個線性回歸模型來描述。為此,本文提出了一種基于自適應回歸的誤差有界的多屬性數(shù)據(jù)壓縮算法(A

5、R-MWCEB)。自適應指該算法可以根據(jù)誤差限和壓縮收益,自動選擇傳輸原始數(shù)據(jù)還是傳輸回歸系數(shù),自動確定每次參與回歸計算的數(shù)據(jù)個數(shù)。分析和實驗表明,該算法能夠有效地利用傳感器數(shù)據(jù)中存在的時間相關性、空間相關性和多屬性間相關性,大大減少數(shù)據(jù)量。另外,當多屬性間相關性減小或不穩(wěn)定時,其壓縮效果也比較理想。
　　 (3)針對傳感器數(shù)據(jù)流的時間序列模型,研究了計算簡單的單遍掃描分段逼近算法,在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量前提下對持續(xù)到達的采樣數(shù)據(jù)進行在

6、線式壓縮。主要工作包括:①利用傳感器節(jié)點內(nèi)置的緩沖區(qū),提出了單傳感器節(jié)點上基于分段常量逼近的數(shù)據(jù)壓縮算法(PCADC-Sensor),并給出了在無窮范數(shù)誤差度量下的實現(xiàn)。②提出了單傳感器節(jié)點上基于分段線性逼近的數(shù)據(jù)壓縮算法(PLADC-Sensor)。分別在無窮范數(shù)和2范數(shù)誤差度量下,給出了計算PLA的兩種簡單快速算法。推導了分段線性一致逼近的充要條件。③簇頭或基站不需要接收各傳感器的原始采樣數(shù)據(jù),提出了直接基于數(shù)據(jù)的分段線性表示(PL

7、R)的壓縮算法(PLRDC-Cluster),推導了相同節(jié)點不同時間段、不同節(jié)點相同時間段這兩種情況下的計算公式。
　　 (4)數(shù)據(jù)匯聚通過在路由中間節(jié)點上檢查數(shù)據(jù)內(nèi)容來減少數(shù)據(jù)量,是降低能耗的重要技術(shù)。針對由此帶來的信息泄露問題,研究了安全匯聚問題。主要工作包括:①提出了一種安全的數(shù)據(jù)匯聚與認證方案(SEDAA)。將采集的數(shù)據(jù)映射成無物理意義的模式碼,根據(jù)模式碼進行數(shù)據(jù)匯聚,構(gòu)建出匯聚樹;再將被選中節(jié)點的采集數(shù)據(jù)以加密形式傳輸

8、,保證了數(shù)據(jù)的機密性;利用會話密鑰進行延遲匯聚和延遲認證,進行源認證,保證了數(shù)據(jù)在傳輸過程中的完整性和真實性;采用計數(shù)器生成會話密鑰保證了數(shù)據(jù)的新鮮性。②考慮方案的可擴展性,提出了可擴展性好的安全數(shù)據(jù)匯聚與認證方案(SSDAA)。SSDAA本地逐步公布用于認證的μTESLA密鑰,節(jié)點完成本地匯聚后經(jīng)過兩跳傳輸時間延遲就可開始認證,認證不必等整個匯聚完成,使網(wǎng)絡時延小,可適用于較大規(guī)模網(wǎng)絡。這兩種方案都可以抵御植入節(jié)點攻擊和重放攻擊,可部

9、分解決妥協(xié)節(jié)點攻擊問題。
　　 (5)設計和實現(xiàn)了一個基于數(shù)據(jù)壓縮的監(jiān)控原型系統(tǒng)。原型系統(tǒng)采用傳感器網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)服務層、應用層三層架構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡層是基于TinyOS通過對傳感器節(jié)點進行嵌入式程序設計實現(xiàn)的,主要功能為采集數(shù)據(jù),建立分簇路由,然后進行壓縮、傳輸,數(shù)據(jù)最終到達網(wǎng)關節(jié)點(Sink)。網(wǎng)關節(jié)點通過USB口連接到現(xiàn)場PC。數(shù)據(jù)服務層是在現(xiàn)場PC上實現(xiàn)的,在整個原型系統(tǒng)中起到一個上下橋接的作用,主要用于應用層程序和網(wǎng)關節(jié)點