无线传感器网络中的覆盖控制与信息的安全传输

论文摘要

无线传感器网络（WSN）被预为改变未来世界的一项重要技术,自从其问世以来,在军事界、学术界和工业界都引起了人们极大地关注。WSN的应用前景涵盖军事、环境、医疗、建筑、农业等各个方面。然而,一些支撑此网络的基础问题至今没有完全解决,如拓扑控制、路由问题、覆盖控制和网络安全等,这些问题的存在阻碍了WSN的发展。虽然前人已经做了很多研究工作,但是依然存在很多问题或不足。覆盖控制问题是WSN监控类应用中的核心问题,然而到目前为止,此问题的研究仍然停留在初级阶段,大部分已有文献都是基于简单的圆盘模型,而圆盘模型无法反应真实世界中复杂的环境及噪音对目标检测的影响,导致覆盖性能无法保障,少部分基于概率感知模型的文献都没有充分考虑多传感器之间的协作,因而系统性能不高。如何快速得到网络配置方案,使得在满足较高覆盖性能的前提下最大化网络的生命周期,依然需要深入研究。目标检测是覆盖控制问题中的关键技术,数据融合已经证明可以提高目标检测性能,然而在使用数据融合时往往需要在各个传感器之间传输大量的数据,使得传感器节点消耗了大量的能量,所以需要研究如何减少网络中数据的传输量。在WSN的很多应用中（如军事应用中的战场监控、目标定位等）,WSN在实现对整个区域的覆盖后,传感器节点需要将检测信息传送给基站或数据处理节点,此时必须考虑检测信息的安全传输问题。由于采用无线信道、节点资源有限、分布式的网络结构、节点往往部署在露天公开环境下等特点使得WSN更容易遭受攻击,而且传统的安全机制无法有效利用。所以有必要寻找针对WSN的非加密安全传输方式。本文针对WSN中的覆盖控制问题和信息的安全传输问题,进行了如下几方面的研究：1.对于随机部署的WSN,为了延长网络的生命周期,通常只激活一部分传感器节点对区域进行覆盖,对于大规模的WSN,如何快速选择传感器节点的集合达到覆盖要求显得尤其重要。本论文基于随机感知模型来研究覆盖问题,提出了多数原则的决策融合来提高目标检测的性能,并将鞍点逼近法应用于决策融合的计算来降低其计算复杂度。提出了中心式覆盖算法和合作网格覆盖算法两种覆盖方案,其中,合作网格覆盖算法将整个区域划分为互相重叠的网格,将每个网格看作一个融合模块,通过网格的重叠部分实现了相邻网格之间的协作,有效减少了激活传感器节点的数量,同时提高了网络配置效率。在仿真实验部分,首次将鞍点逼近法应用到具有8比特ATmega128L处理器的Mica2 mote中,并同蒙特-卡洛法进行了比较,验证了多数原则的优越性,并将合作网格覆盖算法与两个已有文献中的覆盖算法进行了比较。2.对于需要较高覆盖要求的应用,往往需要精确部署传感器节点进行网络配置。由于部署节点的代价很高,需要计算最优的传感器节点位置,用最少的节点达到所要求的覆盖性能。本论文基于概率感知模型,并采用了数据融合中的数值融合来提高检测性能,分析了计算最优节点位置的复杂度,提出了分而治之算法,此算法在保证高覆盖性能的前提下,可以快速得到较好的节点位置,另外还提出了基于分簇的分而治之算法,进一步提高了算法的性能,并分析了作用区域半径对算法的影响。对此算法的仿真实验使用了DAPRA SensIT车辆检测实验中的真实数据,实验结果显示,用分而治之算法部署49个节点与用随机方法部署80个节点有着相同的覆盖性能,另外,我们还用数值仿真实验验证了分而治之算法的性能,并分析了算法中的参数对算法的影响。3.压缩感知技术是近年来新兴的一种压缩技术,它允许信息进行分布式压缩,提高了压缩效率,降低了计算复杂度。本论文研究了如何将压缩感知技术应用在目标检测中,提出了基于贝叶斯检验准则的目标检测方案,不用恢复压缩数据就可以做出精确的检测决策。仿真实验表明,使用压缩感知检测技术损失很少的检测性能就能换来网络通信量的大幅下降。4.安全网络编码已经证明可以不用任何加密算法就能实现信息的安全传输,所以非常适合应用于资源有限的WSN。然而已有的对安全网络编码的研究都是基于一个初始的网络编码方案,而我们的研究发现,初始网络编码方案对网络吞吐量有着重要的影响。本论文将安全网络编码的设计同传输拓扑的选择结合起来考虑,在保证安全的前提下最大化网络的吞吐量。论文通过对问题进行建模,分析了弱安全、最大传输速率与传输拓扑之间的关系,从而找出了最优传输拓扑的特征,并证明了寻找最优拓扑为NP-难问题。接着给出了设计安全信源网络编码的确定性算法和随机算法,并分析了传输拓扑与编码所用有限域之间的关系。本论文提出了寻找最优拓扑的一个最优算法和三个启发式算法,其中最优算法适用于信源节点与接收节点之间的带宽较小的情况,启发式算法适用于一般情况。前两个启发式算法致力于寻找使得安全传输速率最大的传输拓扑,而第三个启发式算法致力于在保证最大安全传输速率不变的情形下,最小化编码有限域的大小和最大化随机信源网络编码为弱安全的概率。在仿真实验部分,对所有启发式算法进行了仿真分析,实验结果表明,本章所提的启发式算法在各种参数设置下都有很好的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络中的覆盖问题
• 1.2.1 覆盖问题
• 1.2.2 目标检测与压缩感知
• 1.3 检测信息的安全传输
• 1.4 背景知识简介
• 1.4.1 圆盘感知模型
• 1.4.2 最大流最小割定理
• 1.4.3 多播容量与网络编码的提出
• 1.5 本论文的主要工作
• 1.6 本论文的结构安排
• 第二章 基于随机感知模型的高效覆盖方案
• 2.1 引言
• 2.2 问题描述及分析
• 2.3 鞍点逼近法
• 2.4 覆盖控制算法
• 2.4.1 中心覆盖算法
• 2.4.2 合作网格覆盖算法
• 2.5 性能仿真分析
• 2.5.1 鞍点逼近法性能仿真
• 2.5.2 不同决策原则下激活传感器节点数量的比较
• 2.5.3 与VSP和PCP的比较
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于数据融合的传感器布点算法
• 3.1 引言
• 3.2 问题描述及复杂度分析
• 3.3 传感器节点布置算法
• 3.4 基于分簇的分而治之算法
• 3.5 作用区域半径对布置传感器的影响
• 3.6 仿真实验及分析
• 3.6.1 基于真实数据的车辆检测仿真实验
• 3.6.2 数值仿真实验
• 3.7 本章小结
• 第四章 压缩感知检测技术
• 4.1 压缩感知基础
• 4.2 压缩感知检测
• 4.2.1 传感器检测模型
• 4.2.2 传统的多传感器检测技术
• 4.2.3 基于压缩感知的多传感器检测
• 4.2.4 网络实施方案
• 4.2.5 仿真结果
• 4.3 本章小结
• 第五章 检测信息的安全传输
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型
• 5.3 问题定义与分析
• 5.3.1 问题定义
• 5.3.2 弱安全与网络拓扑
• 5.3.3 最大STR与网络拓扑
• 5.3.4 MSTR-NC问题的复杂度
• 5.4 NC方案的设计
• 5.5 传输拓扑的构造
• 5.5.1 基于最短路的最优算法
• 5.5.2 基于κ-最短路的启发式算法
• 5.6 仿真实验
• 5.6.1 TCKSP算法与iTCKSP算法的性能仿真
• 5.6.2 iTCKSP-MCP算法的性能仿真
• 5.6.3 信源网络编码对STR的贡献
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本论文研究工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间的成果
• 攻读博士学位期间参与的科研项目