專利名稱:一種提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱蔽性的通信方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安 全性的通信方法。
背景技術(shù):
隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)(System on Chip, SOC)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Networks, WSN),并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了 信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié) 點組成,通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)出于安全的考慮,需要提高其信息在空間傳播的隱蔽性目前大多 數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究主要集中在物理層高效加密算法、數(shù)據(jù)鏈路層抗DOS (Denial of Service)攻擊的安全MAC (Media Access Control)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層的路由安全協(xié)議、以及 應(yīng)用層的密鑰管理和安全組播等方面。上述的方法雖然可以有效地提高系統(tǒng)的安全性,但是它提高隱蔽性的方法都是對 傳輸信號進(jìn)行加密,竊聽節(jié)點仍然可以接收到這些信號,只要獲得相應(yīng)的加密或解密算法, 仍然可以竊聽這些信號,因此仍然存在安全隱患。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信過程的安全性,提出了一種提高 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱蔽性的通信方法,該方法利用時間反演技術(shù)(TimeReversal,TR)的時空 聚焦特性,通過提高鏈路節(jié)點的隱蔽性,防止非法竊聽,從而提高了通信安全性。為了達(dá)到上述目的,本發(fā)明的技術(shù)方案是一種提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱蔽性的通 信方法,應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括至少一個鏈路節(jié)點和至少一個 普通節(jié)點,其特征在于,包括步驟步驟1 鏈路節(jié)點向普通節(jié)點發(fā)送一個原始沖擊信號s (t);步驟2 普通節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑?jīng)_擊信號s' (t),將多徑?jīng)_擊 信號s' (t)與原始沖擊信號s (t)通過Clean算法進(jìn)行比較計算得到表示鏈路節(jié)點和普通 節(jié)點之間路徑特性的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)hn(t),其中η為普通節(jié)點數(shù)量;步驟3 普通節(jié)點將接收到的多徑?jīng)_擊信號s' (t)存儲到其自身的存儲器中, 普通節(jié)點對多徑?jīng)_擊信號S⑴=<0 乂⑴做時間反演處理,得到時間反演多徑?jīng)_擊信號 p{.-t) = s{-t) hn{-t)·,步驟4 普通節(jié)點將其自身傳感裝置采集到的傳感信息i(t)與反演多徑?jīng)_擊信 號s' (-t)進(jìn)行卷積得到普通節(jié)點的時間反演發(fā)送信號r ( )=沿)05(-0并發(fā)送回鏈路節(jié) 占.步驟5:鏈路節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑時間反演接收信號r{t) = i{t) s{-t) hS-t) hn(t)',步驟6:鏈路節(jié)點從多徑時間反演接收信號r' (t)中提取傳感信息i(t),將多徑時間反演接收信號r' (t)與原始沖擊信號s(t)進(jìn)行卷積操作后進(jìn)行求和運算,得到最終 多徑時間反演接收信號耶) = 明 [沖㈧(-0 /^)],由此R(t)就是i(t) 與兩個自相關(guān)函數(shù)對-0]與隊(-0 弋⑴]卷積的結(jié)果,由于兩個自相關(guān)函數(shù)近似于 沖擊函數(shù),因此,從時間上對與[乂乂(0]進(jìn)行求和結(jié)果為1,因此R⑴就 是i (t)在接收端處的再現(xiàn),通過上述操作,就得到傳感信息i (t)。本發(fā)明的有益效果由于采用本發(fā)明的技術(shù)方案后,各個傳感器所記錄的信道響 應(yīng)已充分考慮了不同路徑所引入的空間相位延遲、以及非均勻介質(zhì)所帶來的影響,所以,來 自周邊各個傳感器的信號除了能夠在空間上匯聚于一點之外,而且還可以實現(xiàn)在同一時刻 到達(dá),即同時實現(xiàn)時間與空間上的聚焦。從而實現(xiàn)了時間反演技術(shù)的時空聚焦性。由于時 間反演技術(shù)的時空聚焦性決定了只有在很小的空間范圍內(nèi)、很窄的時間范圍內(nèi),信號達(dá)到 最強,而超出其空間聚焦范圍和時間聚焦范圍,信號極其微弱。所以,時間反演技術(shù)的這種 時_空聚焦特性使得信號只有在鏈路節(jié)點處可以檢測出來,而在鏈路節(jié)點之外的其他地方 信號很難被檢測出來,因此,時間反演通信技術(shù)具有極好的安全保密傳輸特性。這也是區(qū)別 于傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究的一種新的方法。
圖1為鏈路節(jié)點向普通節(jié)點發(fā)送一個原始沖擊信號時的空間示意圖。圖2為普通節(jié)點向鏈路節(jié)點發(fā)送一個時間反演發(fā)送信號時的空間示意圖。圖3為鏈路節(jié)點的信號竊聽過程原理示意圖。圖4為本發(fā)明的二維仿真試驗過程的空間示意圖。圖5是第I組仿真試驗的檢測率的空間分布圖。圖6是第II組仿真試驗的檢測率的空間分布圖。圖7是第III組仿真試驗的檢測率的空間分布圖。圖8是第V組仿真試驗的檢測率的空間分布圖。圖9是第VI組仿真試驗的檢測率的空間分布圖。圖10是第ΥΠ組仿真試驗的檢測率的空間分布圖。圖11是第I組仿真試驗的檢測率的時間分布圖。圖12是第II組仿真試驗的檢測率的時間分布圖。圖13是第III組仿真試驗的檢測率的時間分布圖。圖14是第V組仿真試驗的檢測率的時間分布圖。圖15是第VI組仿真試驗的檢測率的時間分布圖。圖16是第ΥΠ組仿真試驗的檢測率的時間分布圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。 首先,對本發(fā)明的理論基礎(chǔ)做詳細(xì)的描述,如圖1和圖2所示,表示在一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,存在至少一個鏈路節(jié)點和至少一個普通節(jié)點,也存在至少一個竊聽節(jié)點。如果 不采用本發(fā)明的時間反演技術(shù),鏈路節(jié)點向普通節(jié)點發(fā)送一個原始沖擊信號或普通節(jié)點向 鏈路節(jié)點發(fā)送一個時間反演發(fā)送信號的過程中,竊聽節(jié)點可以同等的接收到這些信號,只 要能夠獲得對這些信號的處理方法就可以將這些信號破解出來。普通節(jié)點、鏈路節(jié)點和竊聽節(jié)點的信號處理原理相同。如圖3所示,現(xiàn)以鏈路節(jié)點 為例對其過程作詳細(xì)說明。首先,把鏈路節(jié)點的接收波形g(t) =r' (t)+n(t),其中r' (t)為多徑時間反 演接收信號,n(t)為噪聲。將接收波形g(t)送入一個帶寬為W的帶通濾波器得到濾波后 的接收波形ζ (t),然后在將ζ (t)送入一個平方器得到鏈路節(jié)點濾波后的接收波形的平方 ζ2 (t),在通過一個積分時間為T 的積分器就得到鏈路節(jié)點接收波形能量V,將V與比較器的 門限能量Vt做比較,門限能量Vt在比較器中預(yù)先設(shè)定的一個參數(shù)。如果積分器的接收波形 能量V比門限能量Vt高就認(rèn)為存在有效信號,否則就認(rèn)為不存在有效信號。在本發(fā)明中, 用檢測率Pd來衡量節(jié)點正確接收信號的概率,用誤警率Pfa來衡量節(jié)點錯誤接收信號的概 率,檢測率Pd和誤警率Pfa由信噪比SNR決定,信噪比SNR又由接收波形能量V決定。下面 對檢測率Pd、誤警率Pfa和信噪比SNR的理論推導(dǎo)過程作詳細(xì)描述。比較器的門限能量Vt的選擇要滿足誤警率Pfa的要求,將得到的Vt帶入公式(4) 這樣就得到了檢測率Pd與信噪比的關(guān)系。給定一個檢測率在不同的通信系統(tǒng)中對應(yīng)不同 的信噪比,得到的信噪比被認(rèn)為是衡量通信系統(tǒng)隱蔽性的比較感興趣的量。當(dāng)鏈路節(jié)點的接收波形g(t)中不存在有效信號時,只有功率譜密度(PSD,Power Spectral Density)單位頻帶內(nèi)的功率為N。/2 (N。為噪聲「作傅立葉變換后得到的一個常 量)的加性高斯白噪聲(AWGN,Additive White GaussianNoise)輸入到鏈路節(jié)點中,從統(tǒng) 計上而言這種噪聲是隨機無線噪聲,其特點是其通信信道上的信號分布在很寬的頻帶范圍 內(nèi)。把鏈路節(jié)點的接收波形能量V對功率隊/2做歸一化,這樣就得到了歸一化隨機變量Y =2V/N0, Y即為鏈路節(jié)點的信噪比SNR,則Y滿足自由度為ν = 2TW的χ 2分布,這里的T 為積分時間,W為濾波器的帶寬,此時Y的概率密度為
P (y) 二 -y(v-2)/2e-^/2 V>0PKy) 2W2Y(v y,少公式(1)
2公式⑴中,y為任意正實數(shù),為參數(shù)為*伽瑪函數(shù),其表達(dá)式為
Γ(^) = Γ^rdi ο繼職■馳龍g(t)神一+挪_、日 T 賄言糧E白勺辟
2 2 e2
送入到輻射計時,隨機變量Y服自由度為ν = 2TW,非中心參數(shù)為λ =觀/隊的非中心χ2 分布,此時Y的概率密度為ρ, (y):去《廣2) -_/2/(_2(^),片0公式⑵
λ A公式(2)中的/(v_2)/2(V^)是第一類(v_2)/2階修正貝塞爾(Bessel)函數(shù)。鏈路 節(jié)點的檢測率Pfa和誤警率Pd值,現(xiàn)在可以下面兩個積分式確定Pfa = P O)辦公式(3)
Pd = P ‘ O)辦公式(4)Vt為比較器的門限能量,比較器的接收波形能量V就和它進(jìn)行比較。鏈路節(jié)點要 接收到有效信號,則被接收的接收波形g(t)需要滿足一定的要求,其信噪比SNR和檢測率 Pd需要達(dá)到一定的閾值。普通節(jié)點和竊聽節(jié)點的的信號處理原理與鏈路節(jié)點相同,因此不再詳細(xì)描述。在上述理論基礎(chǔ)上,本發(fā)明提供的一種提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱蔽性的通信方法, 應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括至少一個鏈路節(jié)點和至少一個普通節(jié) 點,包括步驟步驟1 鏈路節(jié)點向普通節(jié)點發(fā)送一個原始沖擊信號s (t);步驟2 普通節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑?jīng)_擊信號s' (t),將多徑?jīng)_擊 信號s'(t)與原始沖擊信號s (t)通過Clean算法進(jìn)行比較計算得到表示鏈路節(jié)點和普通 節(jié)點之間路徑特性的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)hn(t),其中η為普通節(jié)點數(shù)量;clean算法(時域 去卷積算法)是一種對采樣數(shù)據(jù)去卷積的迭代算法,在本步驟中用于提取信道沖擊相應(yīng)參 數(shù)hn(t),由于clean算法屬于現(xiàn)有技術(shù),因此不再詳細(xì)論述。步驟3 普通節(jié)點將接收到的多徑?jīng)_擊信號s' (t)存儲到其自身的存儲器中, 普通節(jié)點對多徑?jīng)_擊信號^ (0=沖) 弋ω做時間反演處理,得到時間反演多徑?jīng)_擊信號 p\-t)^s(-t) hn(-t)·,步驟4 普通節(jié)點將其自身傳感裝置采集到的傳感信息i(t)與反演多徑?jīng)_擊信 號s' (-t)進(jìn)行卷積得到普通節(jié)點的時間反演發(fā)送信號r (0 =吩)(8)5(-0并發(fā)送回鏈路節(jié)占.步驟5:鏈路節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑時間反演接收信號 r(t) = i(t) s(-t)^hn(-t) hn(t);步驟6:鏈路節(jié)點從多徑時間反演接收信號r' (t)中提取傳感信息i(t),將多徑 時間反演接收信號r' (t)與原始沖擊信號s(t)進(jìn)行卷積操作后進(jìn)行求和運算,得到最終 多徑時間反演接收信號邪) =[沖博^忡㈧㈠)0/^)],由此R(t)就是i(t) 與兩個自相關(guān)函數(shù)[沖與[、(-0 弋⑴]卷積的結(jié)果,由于兩個自相關(guān)函數(shù)近似于 沖擊函數(shù),因此,從時間上對[沖與[/u-o 弋ω]進(jìn)行求和結(jié)果為ι,因此R(t)就 是i (t)在接收端處的再現(xiàn),通過上述操作,就得到傳感信息i (t)。下面,結(jié)合仿真試驗對本發(fā)明所述的通信方法所具有的時空聚焦特性進(jìn)行說明。 如圖4所示,本發(fā)明提供了一種二維仿真試驗過程的空間示意圖。在本圖所示的實施例中, 二維仿真試驗過程的空間的長為6m,寬為3m。圖中,ε ,為相對介電常數(shù),由于廣義介電常 數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá)由實部和虛部構(gòu)成,實部為材料的介電常數(shù)ε ρ虛部和電導(dǎo)率成正比,在仿 真試驗中,當(dāng)電導(dǎo)率為無窮大時,實部即介電常數(shù)ε ^可以忽略,此時的廣義介電常數(shù)即為 電導(dǎo)率。PEC為完純金屬,其電導(dǎo)率為無窮大,因此廣義介電常數(shù)即為電導(dǎo)率,經(jīng)過測試,得 到墻體的相對介電常數(shù)\為9,桌子的相對介電常數(shù)\為2,凳子的相對介電常數(shù)、為 1. 3。圖中的圓點表示普通節(jié)點,菱形點表示鏈路節(jié)點。通過6組數(shù)值仿真實驗來進(jìn)行仿真,這6組實驗分別為I .在如圖4所示仿真空間下去除墻體、桌子和凳子等所有障礙的情況下一個普通節(jié)點和一個鏈路節(jié)點“一對一”的按照本發(fā)明通信方法進(jìn)行通信;該組仿真試驗下的檢測 率Pd的空間分布如圖5所示,時間分布如圖11所示。II .在如圖4所示仿真空間下一個普通節(jié)點與一個鏈路節(jié)點按照現(xiàn)有的通信方法 進(jìn)行通信;該組仿真試驗下的檢測率Pd的空間分布如圖6所示,時間分布如圖12所示。III .在如圖4所示仿真空間下一個普通節(jié)點和一個鏈路節(jié)點“一對一”的按照上 述通信方法進(jìn)行通信;該組仿真試驗下的檢測率Pd的空間分布如圖7所示,時間分布如圖 13所示。IV .在如圖4所示仿真空間下只保留兩個普通節(jié)點和一個鏈路節(jié)點的情況下按照 上述通信方法進(jìn)行通信;該組仿真試驗下的檢測率Pd的空間分布如圖8所示,時間分布如 圖14所示。V .在如圖4所示仿真空間下只保留四個普通節(jié)點和一個鏈路節(jié)點的情況下按照 上述通信方法進(jìn)行通信;該組仿真試驗下的檢測率Pd的空間分布如圖9所示,時間分布如 圖15所示。VI.在如圖4所示仿真空間下只保留八個普通節(jié)點和一個鏈路節(jié)點的情況下按照 上述通信方法進(jìn)行通信;檢測率Pd和誤警率Pfa由信噪比SNR決定該組仿真試驗下的檢測 率Pd的空間分布如圖10所示,時間分布如圖16所示。通過上述6組仿真實驗可以得到,當(dāng)鏈路節(jié)點接收到信號時的檢測率Pd的空間分 布,如圖5、6、7、8、9和10所示,圖中W和L軸分別代表長和寬,單位為米,Pd軸為檢測率。 從圖中可以看出,在保證鏈路節(jié)點能接收到信號的情況下,引入時間反演技術(shù)的本發(fā)明的 通信方法如圖5、7、8、9和10所示的檢測率pd的空間分布與采用現(xiàn)有通信方法如圖6所示 相比,本發(fā)明的通信方法對信號的安全傳輸有較大的影響。在采用現(xiàn)有的通信方法情況下, 當(dāng)鏈路節(jié)點接收到有效信號的時候,在空間其他的許多地方也同樣能夠檢測到有效信號的 存在,如果在這些位置放置竊聽節(jié)點,就很容易接收到這些有效信號,這樣就不利于信息的 安全傳輸。當(dāng)采用引入時間反演技術(shù)后的本發(fā)明的通信方法,情況就大不一樣了,只有鏈路 節(jié)點周圍很窄的范圍內(nèi)能夠檢測到有效信號的存在,而超出這個范圍信號就很微弱,因此 就檢測不到有效信號的存在,這樣就降低了信號在空間傳播時被非法檢測的概率,提高了 信息的安全傳輸。說明了時間反演技術(shù)的空間聚焦特性能夠提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息安 全。下面通過仿真實驗進(jìn)一步分析檢測率pd的時間分布,如圖11、12、13、14、15和16 所示。在采用現(xiàn)有的通信方法情況下,如圖12所示,信號在發(fā)射初期一直到仿真結(jié)束這 段時間里有效信號都是可以被檢測出來的,而采用時間反演技術(shù)的本發(fā)明的通信方法如圖 11、13、14、15和16所示,隨著普通結(jié)點數(shù)量的增加能夠接收到信號的時間在減少,當(dāng)普通 結(jié)點數(shù)量達(dá)到一定值后從圖16可以看出,信號在整個傳輸過程中,有效信號只有在時間反 演聚焦時刻才可以被探測出來,而在其它時間里信號是很難被檢測出來的。從而,說明了采 用時間反演技術(shù)的本發(fā)明的通信方法具有時間聚焦性,這樣就降低了信號在時間上被非法 截取的概率,提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息在時間傳播的安全性。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到,這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā) 明的原理,應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實質(zhì)的其它各種具體變形和組合, 這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱蔽性的通信方法,應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括至少一個鏈路節(jié)點和至少一個普通節(jié)點,其特征在于,包括步驟步驟1鏈路節(jié)點向普通節(jié)點發(fā)送一個原始沖擊信號s(t);步驟2普通節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑?jīng)_擊信號s′(t),將多徑?jīng)_擊信號s′(t)與原始沖擊信號s(t)通過Clean算法進(jìn)行比較計算得到表示鏈路節(jié)點和普通節(jié)點之間路徑特性的信道沖擊響應(yīng)參數(shù)hn(t),其中n為普通節(jié)點數(shù)量;步驟3普通節(jié)點將接收到的多徑?jīng)_擊信號s′(t)存儲到其自身的存儲器中,普通節(jié)點對多徑?jīng)_擊信號做時間反演處理,得到時間反演多徑?jīng)_擊信號步驟4普通節(jié)點將其自身傳感裝置采集到的傳感信息i(t)與反演多徑?jīng)_擊信號s′(-t)進(jìn)行卷積得到普通節(jié)點的時間反演發(fā)送信號并發(fā)送回鏈路節(jié)點;步驟5鏈路節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑時間反演接收信號 <mrow><msup> <mi>r</mi> <mo>′</mo></msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>i</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><mi>s</mi><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><msub> <mi>h</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>⊗</mo><msub> <mi>h</mi> <mi>n</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>;</mo> </mrow>步驟6鏈路節(jié)點從多徑時間反演接收信號r′(t)中提取傳感信息i(t),將多徑時間反演接收信號r′(t)與原始沖擊信號s(t)進(jìn)行卷積操作后進(jìn)行求和運算,得到最終多徑時間反演接收信號由此R(t)就是i(t)與兩個自相關(guān)函數(shù)卷積的結(jié)果,由于兩個自相關(guān)函數(shù)近似于沖擊函數(shù),因此,從時間上對進(jìn)行求和結(jié)果為1,因此R(t)就是i(t)在接收端處的再現(xiàn),通過上述操作,就得到傳感信息i(t)。FSA00000158461400011.tif,FSA00000158461400012.tif,FSA00000158461400013.tif,FSA00000158461400015.tif,FSA00000158461400016.tif,FSA00000158461400017.tif
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱蔽性的通信方法。包括步驟1鏈路節(jié)點向普通節(jié)點發(fā)送一個原始沖擊信號;步驟2普通節(jié)點接收經(jīng)過多徑影響后到達(dá)的多徑?jīng)_擊信號,將多徑?jīng)_擊信號與原始沖擊信號通過Clean算法進(jìn)行比較計算得到表示鏈路節(jié)點和普通節(jié)點之間路徑特性的信道沖擊響應(yīng)參數(shù);步驟3普通節(jié)點將接收到的多徑?jīng)_擊信號存儲到其自身的存儲器中,普通節(jié)點對多徑?jīng)_擊信號做時間反演處理,得到時間反演多徑?jīng)_擊信號。本發(fā)明的有益效果是該方法利用時間反演技術(shù)的時空聚焦特性,通過提高鏈路節(jié)點的隱蔽性,防止非法竊聽,從而提高了通信安全性。
文檔編號H04W12/00GK101867921SQ20101019803
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者周治立, 張光旻, 李冰, 李德, 洪勁松, 王秉中 申請人:電子科技大學(xué)