传感器网络数据异常检测方法的研究与实现

发布时间：2020-06-14 18:31

【摘要】：近年来,伴随着微型计算机技术、电子技术及现代网络与无线通信技术等技术的飞速发展,无线传感器网络孕育而生,其已逐渐成为人类从物理世界获取数据信息的重要渠道,备受各国政府、学术界与工业界的瞩目,其安全威胁与安全问题也越来越被研究者们所重视。无线传感器网络具有节点资源有限、易受攻击的特点,已应用的密码、安全路由等技术虽提高了传感器网络的安全性,但仍缺乏有效方法检测出传感器网络中数据异常,故难以保障传感器网络数据的可靠性。异常检测技术的完善能极大促进传感器网络未来的应用与发展,如何高效、准确地利用数据进行异常检测是当前传感器网络安全领域的热点问题。本文针对无线传感器网络异常检测问题开展研究工作,分析了当前传感器网络异常检测领域内的国内外研究成果,并对现有检测技术进行分类、比较与研究,而后提出了一种基于信息熵与K-means的分级式异常检测算法,并以此为基础设计与实现了传感器网络异常检测系统。本文的主要工作如下:1.针对传感器数据异常检测的核心问题,本文提出了一种基于信息熵计算异常概率的单传感器异常检测方法。该方法将单个传感器滑动窗口内的数据值作为离散随机变量计算出信息熵序列,在此基础上结合数据流的数据值变化计算出数据流的异常概率来检测单个传感器的异常。该方法综合利用了单传感器数据流的时间相关性及统计概率特征,与只利用数据距离的检测方法相比,该方法可以更加准确地区分数据的正常和异常变化。2.在基于信息熵的检测方法基础上,结合现有的基于K-means的异常检测方法,本文提出了综合利用基于信息熵的检测技术和K-means聚类检测技术的分级式异常检测算法。该算法先利用异常概率判别法进行先验检测,当先验检测发现传感器可疑异常之后再结合K-means聚类检测算法的结果进一步确认。其中,信息熵既用于传感器异常概率的计算,也作为重要特征参与K-means聚类检测。该分级式算法能够更合理地利用设备资源,充分发挥设备的性能优势,达到检测准确性与效率之间的均衡,并且该算法可以通过分级协作式异常检测模型灵活地应用到传感器网络中。3.根据提出的基于信息熵与K-means的分级式异常检测算法,本文设计实现了一个传感器网络异常检测系统,对该系统的模块划分和模块内部设计进行了详细介绍,通过模拟异常数据测试了该检测系统的可用性。
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN915.08
【图文】：

检櫰域逦传感器节点逡逑图２－１无线传感器网络的通信体系模型图逡逑传感器网络中的基本组成单元是分布在网络各处的传感器节点，传感器的实逡逑物内部组成如图２－２所示。逡逑煖＇逡逑图２－２传感器内部图逡逑传感器的内部组成结构如图２－３所示。传感器由四个主要部分组成：信息采逡逑集模块、数据处理模块、数据传输模块与电源模块。信息采集模块由感应元件和逡逑模数转换器（ＡＤ／ＤＣ）两个子单元构成，感应元件感应周边环境并采集环境中的逡逑模拟信号，然后通过模数转换器将采集到的模拟信号转化为数字信号，之后把输逡逑出的数字信号传输给数据处理模块。数据处理模块将节点采集到的数据按照程序逡逑执行的结果分派到网络中。数据传输模块负责将数据发送给目标节点，并接收、逡逑转发其他传感器节点发送的数据。电源模块为传感器的各个模块提供能源供应，逡逑通常采用电池作为设备电源。为了尽可能地节约设备的电源，延长设备的生命周逡逑期，在设计传感器的硬件组成时，需要尽量采用功耗较低的元器件，同时传感器逡逑应该在没有通信需求的时候自行关闭部分通信功能；另外

图２－１无线传感器网络的通信体系模型图逡逑传感器网络中的基本组成单元是分布在网络各处的传感器节点，传感器的实逡逑物内部组成如图２－２所示。逡逑煖＇逡逑图２－２传感器内部图逡逑传感器的内部组成结构如图２－３所示。传感器由四个主要部分组成：信息采逡逑集模块、数据处理模块、数据传输模块与电源模块。信息采集模块由感应元件和逡逑模数转换器（ＡＤ／ＤＣ）两个子单元构成，感应元件感应周边环境并采集环境中的逡逑模拟信号，然后通过模数转换器将采集到的模拟信号转化为数字信号，之后把输逡逑出的数字信号传输给数据处理模块。数据处理模块将节点采集到的数据按照程序逡逑执行的结果分派到网络中。数据传输模块负责将数据发送给目标节点，并接收、逡逑转发其他传感器节点发送的数据。电源模块为传感器的各个模块提供能源供应，逡逑通常采用电池作为设备电源。为了尽可能地节约设备的电源，延长设备的生命周逡逑期，在设计传感器的硬件组成时，需要尽量采用功耗较低的元器件，同时传感器逡逑应该在没有通信需求的时候自行关闭部分通信功能；另外，在设计传感器网络的逡逑６逡逑

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本文编号：2713191