發(fā)布時間：2018-01-28 05:32

  本文關(guān)鍵詞： 生物特征安全機(jī)制 能量效率 心率變異性 隨機(jī)二進(jìn)制序列 無線軀感網(wǎng)絡(luò)　出處：《中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著微機(jī)電技術(shù)、計算技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展,傳感器在微小體積內(nèi)已經(jīng)能集成信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種功能,同時具有較低的能耗,此類傳感器的出現(xiàn)推動了無線軀感網(wǎng)(wireless body sensor networks,WBSNs)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用,使其在醫(yī)療護(hù)理和智能家居等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。WBSNs由采集生理特征的廉價微型和資源有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及可穿戴式醫(yī)療設(shè)備組成并以無線通信方式形成的網(wǎng)絡(luò),目的是為了采集人體的健康信息并將其安全可靠的傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器中以便于醫(yī)護(hù)人員或終端用戶使用。無線軀感網(wǎng)中的健康信息屬于個人隱私,是受法律或法規(guī)保護(hù)的。而與通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)比較起來,軀感網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(生物傳感器)或可穿戴式醫(yī)療設(shè)備在計算能力、存儲空間、通信速率、可用能量等方面是極其受限的,傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中保護(hù)信息安全的方法無法直接用于軀感網(wǎng)中健康信息的安全。因此,研究如何以盡可能小的代價保護(hù)軀感網(wǎng)健康信息的安全對于軀感網(wǎng)的廣泛應(yīng)用具有十分重要的意義。WBSNs一般包含傳感器節(jié)點(diǎn)、中央處理節(jié)點(diǎn)及監(jiān)護(hù)中心的接收裝置,是形成醫(yī)聯(lián)網(wǎng)(Internet of Medical Things,IoMT)的重要感知及組成部分,而安全問題卻是阻礙WBSNs大規(guī)模應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)之一。由于無線體域網(wǎng)傳輸?shù)氖桥c人體體征狀態(tài)相關(guān)的隱私數(shù)據(jù),且是以無線方式進(jìn)行傳輸,WBSNs中數(shù)據(jù)較容易被非法用戶竊聽、篡改以及破壞,面臨著較大的安全威脅。因此,在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,如何確保特定的敏感資源只能被合法、授權(quán)的用戶訪問和使用,如何正確地鑒別用戶的身份是保證醫(yī)療數(shù)據(jù)安全的首要條件。其次,如何驗證生物特征信息的完整性、安全可靠地實現(xiàn)遠(yuǎn)程身份認(rèn)證、確保生物特征的隱私性和秘密數(shù)據(jù)的安全性成為開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的研究熱點(diǎn),最重要的是,如何基于受限的軟硬件系統(tǒng)資源,盡可能提高生物特征安全加密算法框架的資源利用率,降低系統(tǒng)功耗以實現(xiàn)更好的適用性、更高的安全性、更優(yōu)的性能成為當(dāng)前生物特征安全框架的發(fā)展趨勢,本研究以軀感網(wǎng)的安全為主線,主要研究基于生理特征的用于加密的對稱式密鑰的產(chǎn)生、基于生理特征的用于認(rèn)證的密鑰產(chǎn)生、基于生理特征的密鑰性能與代價分析、密鑰可靠分發(fā)方法及基于軀感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動健康的安全等方面問題,并深入探索無線軀感網(wǎng)傳輸安全性及資源使用率之間的平衡關(guān)系,研究基于心率變異性時域特征值的高效生物特征加密安全算法,基于心率信息,引入有限單調(diào)上升隨機(jī)序列生成機(jī)制,生成隨機(jī)二進(jìn)制序列用于無線軀感網(wǎng)傳輸過程中的實體識別、秘鑰生成、秘鑰協(xié)商等,最終同步實現(xiàn)安全性及資源效率的最優(yōu)化平衡。本課題的主要創(chuàng)新性工作包括:提出了依賴于服務(wù)器端的生物特征安全算法(基于SRR及IPI)和獨(dú)立于服務(wù)器端的生物特征安全算法(基于Fuzzy Vault)。首先基于心率變異性N-N間期時域指標(biāo)SDNN和RMSSD的邏輯運(yùn)算,設(shè)計了一種簡單的秘鑰生成流程(SRR)用于新型的生物特征加密算法研究,以提高無線軀感網(wǎng)中醫(yī)療信息傳輸?shù)母甙踩砸�。隨后,通過結(jié)合有限單調(diào)遞增序列生成機(jī)制,使用循環(huán)塊編碼過程中的脈沖間隔(IPIs),用于最大程度減少從IPI中提取重要熵位信息時的測量誤差。從而提高無線軀感網(wǎng)中敏感信息傳輸?shù)陌踩�、完整性及真實性。最�?基于實時心電Figure及其特征值,我們提出了一種基于模糊箱的安全算法(EFVSA)用于實體識別,從而保證無線軀感網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)間通訊的安全性、高效性,對比與頻域參數(shù),該方法在實體識別的過程中由于采用了心率變異性中的時域特征值,因此能盡大可能地降低計算復(fù)雜度及軟硬件資源損耗。本課題研究了基于軀感網(wǎng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和移動健康應(yīng)用中健康信息的安全,從理論和工程的角度探索復(fù)雜WBSNs環(huán)境下基于生物特征安全機(jī)制算法,以提高醫(yī)療數(shù)據(jù)資源在傳輸過程中的安全性、有效性及完整性。同時,針對有限軟硬件系統(tǒng)資源,探索無線軀感網(wǎng)傳輸安全性及資源利用率之間的平衡關(guān)系,以提高系統(tǒng)傳輸效率,降低傳輸功耗。研究結(jié)果表明,本研究提出的新型隨機(jī)二進(jìn)制序列生成算法的性能比現(xiàn)有基于心率特征的算法方案在處理時間上快將近4倍。對比基于SRR的加密機(jī)制,基于IPI的安全算法需要更少的處理時間和功耗(IPI based:0.196ms 8.901mW Vs.SRR based:0.207ms9.64mW),對比與傳統(tǒng)軀感網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)安全通訊機(jī)制,EFVSA在傳輸功耗及時間上亦表現(xiàn)出更優(yōu)的性能優(yōu)勢。
[Abstract]:With the development of micro - electro - mechanical technology , computing technology and wireless communication technology , sensors have been able to integrate information acquisition , data processing and wireless communication . This paper mainly studies the generation of symmetric key for encryption based on physiological characteristics , key generation based on physiological characteristics , key performance based on physiological characteristics , key performance and cost analysis based on physiological characteristics , reliable distribution method of key and safety of remote medical and mobile health based on body sensing network . Firstly , based on the logical operation of the time domain indexes SDNN and RMSSD of heart rate variability N - N interval , a simple secret key generation process ( srr ) is designed for the research of novel biometric encryption algorithms to improve the safety , validity and integrity of the communication among sensor nodes in the wireless frame sensing network .

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212.9;TP309
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本文編號：1469904