无线传感器网络数据融合关键技术研究

发布时间：2017-12-23 04:22

本文关键词：无线传感器网络数据融合关键技术研究　出处：《南京邮电大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近几年来,随着嵌入式系统和无线通信技术的迅速发展,无线传感器网络逐渐成为了一个重要的研究领域。在网络构成上,一个传感器网络往往包括一个或多个基站节点以及众多部署在其感知目标区域的传感器节点。在工作过程中,由终端的传感节点负责感知采集数据,并通过逐跳通信的方式将该数据最终汇聚到基站节点。无线传感器网络在安全监控、目标实时跟踪以及环境监测等诸多领域有着广泛的应用,但是这些应用中都面临一个同样的瓶颈问题,即传感器节点的资源受限。数据融合是解决这一问题的重要手段之一,该技术通过过滤重复和不需要的数据,降低网络中数据的通信量进而达到降低开销、节省资源的目的。从已有的研究成果来看,数据融合技术的核心问题主要包括两个方面,一方面是如何合理调度以保证网络的服务质量(QoS),另一方面是如何解决融合操作带来的数据安全,尤其是隐私保护问题。本文正是基于以上两个方面展开研究,首先论文通过对融合调度算法的分析,设计出面向不同性能指标的优化调度策略;其次,论文从分析数据融合过程中面临的隐私保护问题入手,通过引入同态加密技术和信源编码技术,从不同侧面实现了数据融合过程的隐私保护。论文的主要工作和创新点如下:1.针对数据融合过程中单一QoS性能指标的优化问题,提出了一种低时延的数据融合调度算法。该算法采用时分复用的方法,通过构造近似最大非冲突节点集合,实现无冲突数据融合调度。同时,该算法也可以用于节点的睡眠调度,根据调度序列设置节点的睡眠和工作时隙,以达到最大程度降低能耗的目的。分析和试验结果表明,该算法相对于已有算法能显著降低数据融合的时延和能量开销。2.针对无线传感器网络数据融合中服务质量与加权公平性保证问题,提出了一种基于二次独立集的数据融合调度算法MISS。该算法采用时分复用思想,通过两次构造最大独立集实现对加权数据的无冲突调度。首先构建以最大独立集为基础的树形结构,并根据能量消耗预测进行调整形成最终的数据融合平衡树;然后通过优化调度对象集合,利用近似最大权独立集为允许通信的链路分配传输时隙。实验结果表明,该算法能够在降低融合时延、加权公平性保证以及延长网络生命周期等方面实现性能平衡。3.针对无线传感器网络数据融合隐私保护问题,提出了基于信源编码技术的可恢复数据融合隐私保护方案。首先,该方案借助于传感器网络中节点数据的相关性对隐私数据进行信源编码,通过编码过程实现数据隐藏和压缩。其次,为了使基站节点能够通过融合结果恢复出所有原始数据,本方案对编码后的数据进行了形式转换和拼接。同时,采用了聚合签名技术,基站节点在恢复出原始数据后根据签名信息鉴别数据的完整性。实验结果表明,该方案能够在有效保护数据隐私性、减少数据传输量的基础上,实现对原始感知数据的恢复。4.针对多应用场景下的数据融合隐私保护问题,提出了一种可以同时保障数据机密性和完整性的数据融合隐私保护方案。通过使用哈希函数,以当前融合轮数和节点预置密钥作为输入为每个融合周期更新密钥。采用同态加密技术,使中间节点能够对密文直接执行融合操作。采用同态消息认证码,使基站能够验证融合数据在传输过程中是否被篡改。进一步,对明文信息加密前进行编码,满足了多应用场景下的使用需求。理论分析和仿真结果表明,该算法具有较好的隐私保护性、较低的通信开销和更高的融合精确度。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】