具有优化和安全特征的WSN数据融合研究

摘要

随着传感器技术、嵌入式计算和网络通信技术的发展和成熟，无线传感器网络产生并成为一种新的信息收集和处理技术，它通过多节点协作感知被监测对象的各种信息并进行数据处理，从而实现实时监控。无线传感器网络是一个多学科高度交叉、知识高度集成的新研究领域，也是一种重要的物联网支撑技术，在很多应用领域表现出巨大的实用价值和发展潜力。本文主要针对无线传感器网络安全数据融合算法进行研究。由于传感器节点能量的难以补充性以及其结构和体积的限制，无线传感器网络在带宽和资源方面严格受限，所以有效地使用网络资源、节约能量十分重要，这就是引入数据融合算法的目的。数据融合可以有效地减少冗余传输，但是同时降低了网络的鲁棒性和容错能力，给无线传感器网络的安全性带来威胁;而且无线传感器网络在很多实际应用中有严格的安全需求。因此设计一种适用于无线传感器网络的安全数据融合算法来平衡数据融合和安全需求是十分必要的。
　　 本文在分析和总结当前的安全数据融合算法的基础上，提出了无线传感器网络中具有优化和安全特征的数据融合方案，其主要贡献和创新点有：⑴针对感知节点采集数据的重复性，提出基于模式码比较的感知节点处的数据融合算法，有效地减少感知节点的数据发送量，从而提高能效性;同时，基于非物理意义的模式码而非原始数据，可保证机密性。针对其他方案中忽略的发送节点的选择问题，提出优化的发送节点选择算法，可有效地均衡网络能耗，延长网络寿命。⑵针对无线传感器网络有限的网络资源和无线信道的时变特性，提出了一种高效且适应性强的安全数据融合算法，该算法在数据传输过程中先执行数字喷泉编码，然后发送。该算法使网络能量消耗更加均匀，而且可以在各种删除信道中以较高的传输效率来传输数据，从而延长网络寿命。同时，该算法在数据融合和传输过程中都脱离了原始数据，可有效提高数据传输的安全性。仿真结果表明:即使存在节点被捕获，数据传输过程中存在丢包的情况，也能保证数据融合过程的安全性和高效性，而且防止恶意数据对融合结果的影响。

目录

声明

摘要

插图、附表

第一章 绪论

1．1 无线传感器网络概述

1．2 无线传感器网络的安全问题

1．2．1 无线传感器网络的安全需求

1．2．2 无线传感器网络安全性实现的制约因素

1．3 本论文的主要工作

1．4 论文结构

第二章 数据融合算法及其安全性

2．1 数据融合概述

2．1．1 数据融合的概念

2．1．2 数据融合的模型

2．1．3 数据融合的分类

2．2 数据融合面临的安全威胁

2．3 安全数据融合研究综述

2．3．1 基于原始数据的安全数据融合协议

2．3．2 基于密文的安全数据融合协议

2．3．3 基于模式码的安全数据融合协议

2．4 现有的安全数据融合协议存在的问题

2．5 本章小结

第三章 具有优化和安全特征的数据融合

3．1 系统假设及设计目标

3．1．1 系统假设

3．1．2 设计目标

3．2 标识符说明

3．3 算法描述

3．3．1 模式码生成和比较算法

3．3．2 基于模式码比较的感知节点数据融合

3．3．3 优化的发送节点选择算法

3．3．4 认证算法

3．4 具有优化和安全特征的基于模式码比较的数据融合OSPDA

3．4．1 融合过程

3．4．2 安全融合算法

3．5 性能分析

3．5．1 能效方面

3．5．2 安全方面

3．6 本章小结

第四章 高效且适应性强的安全数据融合

4．1 系统假设及设计目标

4．2 数字喷泉码编译码算法

4．2．1 编码算法

4．2．2 译码算法

4．2．3 设计时要考虑的问题

4．3 传输过程中各节点发送部分的确定算法

4．4 高效且适应性强的安全数据融合

4．5 性能分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录A