本文關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合關(guān)鍵技術(shù)研究　出處：《南京郵電大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：近幾年來,隨著嵌入式系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上,一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)往往包括一個(gè)或多個(gè)基站節(jié)點(diǎn)以及眾多部署在其感知目標(biāo)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)。在工作過程中,由終端的傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知采集數(shù)據(jù),并通過逐跳通信的方式將該數(shù)據(jù)最終匯聚到基站節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在安全監(jiān)控、目標(biāo)實(shí)時(shí)跟蹤以及環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,但是這些應(yīng)用中都面臨一個(gè)同樣的瓶頸問題,即傳感器節(jié)點(diǎn)的資源受限。數(shù)據(jù)融合是解決這一問題的重要手段之一,該技術(shù)通過過濾重復(fù)和不需要的數(shù)據(jù),降低網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的通信量進(jìn)而達(dá)到降低開銷、節(jié)省資源的目的。從已有的研究成果來看,數(shù)據(jù)融合技術(shù)的核心問題主要包括兩個(gè)方面,一方面是如何合理調(diào)度以保證網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(QoS),另一方面是如何解決融合操作帶來的數(shù)據(jù)安全,尤其是隱私保護(hù)問題。本文正是基于以上兩個(gè)方面展開研究,首先論文通過對融合調(diào)度算法的分析,設(shè)計(jì)出面向不同性能指標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度策略;其次,論文從分析數(shù)據(jù)融合過程中面臨的隱私保護(hù)問題入手,通過引入同態(tài)加密技術(shù)和信源編碼技術(shù),從不同側(cè)面實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合過程的隱私保護(hù)。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.針對數(shù)據(jù)融合過程中單一QoS性能指標(biāo)的優(yōu)化問題,提出了一種低時(shí)延的數(shù)據(jù)融合調(diào)度算法。該算法采用時(shí)分復(fù)用的方法,通過構(gòu)造近似最大非沖突節(jié)點(diǎn)集合,實(shí)現(xiàn)無沖突數(shù)據(jù)融合調(diào)度。同時(shí),該算法也可以用于節(jié)點(diǎn)的睡眠調(diào)度,根據(jù)調(diào)度序列設(shè)置節(jié)點(diǎn)的睡眠和工作時(shí)隙,以達(dá)到最大程度降低能耗的目的。分析和試驗(yàn)結(jié)果表明,該算法相對于已有算法能顯著降低數(shù)據(jù)融合的時(shí)延和能量開銷。2.針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合中服務(wù)質(zhì)量與加權(quán)公平性保證問題,提出了一種基于二次獨(dú)立集的數(shù)據(jù)融合調(diào)度算法MISS。該算法采用時(shí)分復(fù)用思想,通過兩次構(gòu)造最大獨(dú)立集實(shí)現(xiàn)對加權(quán)數(shù)據(jù)的無沖突調(diào)度。首先構(gòu)建以最大獨(dú)立集為基礎(chǔ)的樹形結(jié)構(gòu),并根據(jù)能量消耗預(yù)測進(jìn)行調(diào)整形成最終的數(shù)據(jù)融合平衡樹;然后通過優(yōu)化調(diào)度對象集合,利用近似最大權(quán)獨(dú)立集為允許通信的鏈路分配傳輸時(shí)隙。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該算法能夠在降低融合時(shí)延、加權(quán)公平性保證以及延長網(wǎng)絡(luò)生命周期等方面實(shí)現(xiàn)性能平衡。3.針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合隱私保護(hù)問題,提出了基于信源編碼技術(shù)的可恢復(fù)數(shù)據(jù)融合隱私保護(hù)方案。首先,該方案借助于傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相關(guān)性對隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行信源編碼,通過編碼過程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏和壓縮。其次,為了使基站節(jié)點(diǎn)能夠通過融合結(jié)果恢復(fù)出所有原始數(shù)據(jù),本方案對編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行了形式轉(zhuǎn)換和拼接。同時(shí),采用了聚合簽名技術(shù),基站節(jié)點(diǎn)在恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)后根據(jù)簽名信息鑒別數(shù)據(jù)的完整性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案能夠在有效保護(hù)數(shù)據(jù)隱私性、減少數(shù)據(jù)傳輸量的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)對原始感知數(shù)據(jù)的恢復(fù)。4.針對多應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)融合隱私保護(hù)問題,提出了一種可以同時(shí)保障數(shù)據(jù)機(jī)密性和完整性的數(shù)據(jù)融合隱私保護(hù)方案。通過使用哈希函數(shù),以當(dāng)前融合輪數(shù)和節(jié)點(diǎn)預(yù)置密鑰作為輸入為每個(gè)融合周期更新密鑰。采用同態(tài)加密技術(shù),使中間節(jié)點(diǎn)能夠?qū)γ芪闹苯訄?zhí)行融合操作。采用同態(tài)消息認(rèn)證碼,使基站能夠驗(yàn)證融合數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否被篡改。進(jìn)一步,對明文信息加密前進(jìn)行編碼,滿足了多應(yīng)用場景下的使用需求。理論分析和仿真結(jié)果表明,該算法具有較好的隱私保護(hù)性、較低的通信開銷和更高的融合精確度。
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212.9;TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1322414