專利名稱：無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及無線傳感器網絡，尤其涉及無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統。
背景技術：
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)是由分布在探測區域的大量傳感器節點以及數據收集中心(一般稱為基站)組成的網絡。傳感器節點通與基站建立無線數據傳輸通路，向基站發送采集得到的數據。在很多場合，傳感器節點采集的往往是敏感信息，有一定的保密性要求，現有的方案一般是采用加密技術進行數據傳輸。傳感器網絡中部署有大量傳感器節點，從成本的角度考慮，這些傳感器節點所安裝的操作系統一般都是簡單的嵌入式系統，其處理能力和能量供應都是有限的，因而稍微復雜一點的加密技術的采用，往往會導致傳感器節點能量消耗較快，使得傳感器節點的使用壽命急劇下降，降低了整個系統的整體生存時間。因此，有必要降低傳感器節點能量消耗速度，并結合與此類傳感器節點相配套的基站，來提高整個系統的生存時間，保障敏感信息的隱秘傳輸。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是在于需要提供一種無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統，以克服現有技術中傳輸敏感信息時傳感器節點能量消耗過快的缺陷。為了解決上述技術問題，本實用新型提供了一種無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統，包含傳感器節點及基站，其中所述傳感器節點，采集獲得敏感信息及常規信息，采用高斯隨機矩陣對所述敏感信息進行線性編碼，得到敏感向量，對所述常規信息進行補零的稀疏化處理，得到稀疏向量，對所述敏感向量及稀疏向量進行融合處理，得到融合數據發送給所述基站；所述基站，對所述融合數據進行觀測獲得觀測值，利用與所述高斯隨機矩陣相應的解碼矩陣及所述觀測值重構出所述稀疏向量，根據重構出的所述稀疏向量從所述融合數據中解析出所述敏感向量，并利用所述高斯隨機矩陣對解析出的所述敏感向量進行解碼， 獲得所述敏感信息。優選地，所述傳感器節點包括節點存儲器，存儲所述高斯隨機矩陣；采集器，采集獲得所述敏感信息及常規信息；緩存器，與所述采集器相連，緩存所述敏感信息及常規信息；編碼器，與所述節點存儲器及緩存器相連，采用所述高斯隨機矩陣對所述緩存器所緩存的敏感信息進行所述線性編碼，得到所述敏感向量；處理器，與所述緩存器及編碼器相連，對所述緩存器所緩存的常規信息進行所述補零的稀疏化處理操作，得到所述稀疏向量，并對所述敏感向量及稀疏向量進行所述融合處理，得到所述融合數據；發送端口，與所述處理器相連，將所述融合數據發送給所述基站。優選地，所述編碼器采用如下所述的表達式對所述敏感信息進行所述線性編碼， 得到所述敏感向量ym =BAmxnSn ；其中，ym為所述敏感向量；3為伸縮因子，取值大于零；Amxn為所述高斯隨機矩陣，m>n；&為η個所述敏感信息。優選地，所述處理器將所述敏感向量及稀疏向量相加，得到所述融合數據。優選地，所述基站包括基站存儲器，存儲所述高斯隨機矩陣及解碼矩陣；接收端口，接收所述傳感器節點發送的所述融合數據；觀測器，與所述接收端口相連，對所述融合數據進行觀測，獲得觀測值；重構器，與所述基站存儲器及觀測器相連，利用所述解碼矩陣及觀測值重構出所述稀疏向量；解析器，與所述接收端口及重構器相連，根據所述重構器重構出的所述稀疏向量從所述融合數據中解析出所述敏感向量；解碼器，與所述基站存儲器及解析器相連，利用所述基站存儲器所存儲的所述高斯隨機矩陣對所述解析器所解析出的所述敏感向量進行所述解碼，獲得所述敏感信息。優選地，所述基站存儲器存儲的所述高斯隨機矩陣及所述解碼矩陣滿足如下所述的約束關系HkxmXAmxn = O其中，Amxn為所述高斯隨機矩陣，m>n；Hkxm為所述解碼矩陣，m > k。優選地，所述重構器采用壓縮感知理論或者快速正交匹配跟蹤算法，利用所述解碼矩陣及觀測值重構出所述稀疏向量。優選地，所述觀測器對所述融合數據進行觀測，獲得k個觀測值；所述重構器采用所述壓縮感知理論，利用所述解碼矩陣，在I1范式約束下根據由所述k個觀測值構成的觀測向量重構出所述稀疏向量。優選地，所述解析器從所述融合數據中減去所述重構器重構出的所述稀疏向量， 獲得所述敏感向量。與現有技術相此，本實用新型提供的技術方案，使得傳感器節點以較低能量消耗的方式實現了敏感信息的編碼和隱秘通信，將整個過程中的大部分運算量體現在資源相對更加豐富的基站，符合無線傳感器網絡節點處理能力和能量供應能力均較為有限的特點， 延長了傳感器節點的使用壽命，提高了整個系統的整體生存時間。
圖1為本實用新型實施例敏感信息傳輸系統的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例中傳感器節點的結構示意圖；圖3為本實用新型實施例中基站的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例來詳細說明本實用新型的實施方式，借此對本實用新型如何應用技術手段來解決技術問題，并達到相應技術效果的實現過程能充分理解并據以實施。通信中的信息隱藏anformation Hiding)技術是一個能夠保障數據隱秘性的方案，它將敏感信息通過一定的嵌入算法隱藏到普通數據當中，使得惡意第三方難以覺察到敏感信息的存在，從而實現了一定的隱秘性。但目前的信息隱藏嵌入算法應用在無線傳感器網絡中時，安全性上的強度還不夠，往往還需要借助于加密技術對敏感信息加密之后再進行嵌入，因此不能簡單地用于傳感器網絡之中。壓縮感知(Compressive knsing，也稱為壓縮傳感)技術能夠以較少的測量信號精確重構被測量的信號(該信號必須是稀疏的或在某個變換域中為稀疏形式)，如果不知道編碼階段使用的編碼矩陣，那么即便惡意第三方獲取了壓縮感知編碼后的數據也不能恢復出原始數據。本實用新型將壓縮感知技術用于系統對敏感信息的隱秘傳輸，傳感器節點無需執行運算量大的加密操作，從而在實現敏感信息隱秘傳輸的同時，節點的生存時間也得以大大提高。擁有較高計算能力的基站負責利用壓縮感知等技術完成解碼運算，獲得傳感器節點采集到的敏感信息以及常規信息。實施例一、無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統圖1為本實施例的組成示意圖。如圖1所示，本實施例的傳輸系統包括基站和至少一個傳感器節點(圖中以第一節點Ni、第二節點N2及第三節點N3示出)，對于每個傳感器節點而言，均與基站兩側都配置一個根據隨機密鑰K生成的高斯隨機矩陣Amxn其中m > η。對于不同的傳感器節點而言，隨機密鑰K互不相同，所以對應于各傳感器節點的高斯隨機矩陣Amxn也互不相同。以下結合圖1，以第一節點m為例說明本實施例的技術方案。第一節點Ni，采集獲得敏感信息及常規信息后緩存，采用本地存儲的高斯隨機矩陣對敏感信息進行線性編碼，得到敏感向量，并對常規信息進行補零的稀疏化處理，得到稀疏向量，然后對敏感向量及稀疏向量進行融合處理，得到融合數據發送給基站；基站，接收融合數據，對融合數據進行觀測獲得觀測值，利用與高斯隨機矩陣相應的解碼矩陣及觀測值重構出稀疏向量，根據重構出的稀疏向量從融合數據中解析出敏感向量，并利用高斯隨機矩陣對解析出的敏感向量進行解碼，獲得敏感信息。實施例二、敏感信息傳輸系統中的傳感器節點圖2為本實施例的結構示意圖。結合圖ι所示傳輸系統，仍以第一節點m為例說明本實用新型技術方案中的傳感器節點。如圖2所示，傳感器節點主要包括節點存儲器 210、采集器220、緩存器230、編碼器MO、處理器250以及發送端口洸0，其中[0054]節點存儲器210，存儲高斯隨機矩陣；采集器220，采集獲得敏感信息及常規信息；緩存器230，與采集器220相連，緩存敏感信息及常規信息；編碼器M0，與節點存儲器210及緩存器230相連，采用高斯隨機矩陣對緩存器 230所緩存的敏感信息進行線性編碼，得到敏感向量；處理器250，與緩存器230及編碼器240相連，對緩存器230所緩存的常規信息進行補零的稀疏化處理操作，得到稀疏向量，并對敏感向量及稀疏向量進行融合處理，得到融合數據；發送端口沈0，與處理器250相連，將融合數據發送給基站。本實施例中，編碼器240采用如下的表達式(1)對緩存器230所緩存的η個敏感信息&進行線性編碼，得到長度為m的敏感向量ym 表達式⑴其中，a為伸縮因子，取值大于零；Amxn為高斯隨機矩陣，m > η。上述的伸縮因子3 ,較佳的取值范圍為(0，1]，當然其取值大于1也是可行的。該伸縮因子5使得進行線性編碼后獲得的敏感向量對載體的影響盡可能的小，從而進一步降低敏感信息被發現的可能，其具體的取值可以根據具體的應用而定。當緩存器230所存儲的敏感信息到達數量η時，第一節點m即可采用上述表達式 (1)進行線性編碼。線性編碼的運算復雜度低，僅涉及到乘法和加法運算，有效降低了傳感器節點的能量消耗。本實施例中，處理器250對緩存器230所緩存的常規信息進行補零的稀疏化處理操作，得到為m的稀疏向量％，然后再根據如下表達式(2)對敏感向量ym及稀疏向量&進行融合處理，得到融合數據fm;fm = ym+em表達式 O)當然，也可以將敏感向量ym和稀疏向量&分別乘以一個加權系數之后再進行相加得到融合數據fm。本實施例中處理器250根據敏感向量ym和稀疏向量 得到融合數據fm的計算過程僅涉及加法運算，也盡可能地降低了節點的能量消耗。本實施例中，傳感器節點利用兩個采集器220采集敏感信息及常規信息，其中一個采集器220采集敏感信息，另一個采集器220采集常規信息。當傳感器節點存在兩個以上的采集器220時，可以預先選定或根據具體情況選定其中一個采集常規信息。采集到的常規信息及敏感信息先進行緩存，當緩存器230滿時，從中提取數量為η的敏感信息s，構成 &的列向量再進行線性編碼。實施例三、敏感信息傳輸系統中的基站圖3為本實施例的結構示意圖。結合圖1所示傳輸系統以及圖2所示的傳感器節點，本實施例的基站主要包括基站存儲器310、接收端口 320、觀測器330、重構器340、解析器350以及解碼器360，其中基站存儲器310，存儲高斯隨機矩陣Amxn及解碼矩陣Hkxm ；[0076]接收端口 320，接收傳感器節點發送的融合數據fm ；觀測器330，與接收端口 320相連，對融合數據fm進行觀測，獲得觀測值；重構器340，與基站存儲器310及觀測器330相連，采用壓縮感知理論或者快速正交匹配跟蹤算法，利用解碼矩陣Hkxm及觀測值重構出稀疏向量 ；解析器350，與接收端口 320及重構器340相連，根據重構器340重構出的稀疏向量&從融合數據fm中解析出敏感向量ym ；解碼器360，與基站存儲器310及解析器350相連，利用基站存儲器310所存儲的高斯隨機矩陣Amxn對解析器350所解析出的敏感向量ym進行解碼，獲得敏感信息。 本實施例中，基站存儲器310存儲的高斯隨機矩陣Amxn及解碼矩陣Hkxm (m > k)滿足如下所示的表達式(3)的約束關系HkxmXAmxn = 0式(3)本實施例中，基站中的觀測器330對融合數據進行觀測，獲得k個觀測值。重構器 340采用壓縮感知理論，利用解碼矩陣Hkxm以及觀測器330獲得的該k個觀測值構成的一觀測向量y' k，在I1范式約束下根據如下所示的表達式(4)來精確重構出稀疏向量y' k = HkXfflfffl式0)本實施例中，由于fm = ym+em，而h = SAmxnSn ,因此
權利要求1.一種無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統，包含傳感器節點及基站，其特征在于， 所述傳感器節點包括存儲對敏感信息進行線性編碼的高斯隨機矩陣的節點存儲器； 采集獲得敏感信息及常規信息的采集器； 與所述采集器相連、緩存所述敏感信息及常規信息的緩存器； 與所述節點存儲器及緩存器相連、采用所述高斯隨機矩陣對所述緩存器所緩存的敏感信息進行所述線性編碼并得到所述敏感向量的編碼器；與所述緩存器及編碼器相連、對所述緩存器所緩存的常規信息進行所述補零的稀疏化處理操作得到所述稀疏向量、并對所述敏感向量及稀疏向量進行所述融合處理得到所述融合數據的處理器；與所述處理器相連、將所述融合數據發送給所述基站的發送端口 ； 以及，連接在所述節點存儲器及編碼器之間、存儲隨機密鑰并在應用時根據所述隨機密鑰計算出所述高斯隨機矩陣的節點計算器。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述基站包括 存儲所述高斯隨機矩陣及解碼矩陣的基站存儲器；接收所述傳感器節點發送的所述融合數據的接收端口； 與所述接收端口相連、對所述融合數據進行觀測并獲得觀測值的觀測器； 與所述基站存儲器及觀測器相連、利用所述解碼矩陣及觀測值重構出所述稀疏向量的重構器；與所述接收端口及重構器相連、根據所述重構器重構出的所述稀疏向量從所述融合數據中解析出所述敏感向量的解析器；與所述基站存儲器及解析器相連、利用所述基站存儲器所存儲的所述高斯隨機矩陣對所述解析器所解析出的所述敏感向量進行所述解碼并獲得所述敏感信息的解碼器；與所述基站存儲器、重構器及解碼器相連，存儲所述隨機密鑰、根據所述隨機密鑰生成所述高斯隨機矩陣，并根據所述高斯隨機矩陣生成所述解碼矩陣的基站計算器。
專利摘要本實用新型公開了一種無線傳感器網絡中的敏感信息傳輸系統，克服現有技術中傳感器節點能量消耗過快的缺陷，其中，傳感器節點采用高斯隨機矩陣對敏感信息進行線性編碼得到敏感向量，對常規信息進行補零的稀疏化處理得到稀疏向量，對敏感向量及稀疏向量進行融合處理得到融合數據發送給基站；基站對融合數據進行觀測獲得觀測值，利用解碼矩陣及觀測值重構出稀疏向量，根據重構出的稀疏向量從融合數據中解析出敏感向量，利用高斯隨機矩陣對解析出的敏感向量進行解碼獲得敏感信息。本實用新型提供的技術方案，使得傳感器節點以較低能量消耗的方式實現了敏感信息的編碼和隱秘通信，延長了傳感器節點的使用壽命，提高了整個系統的整體生存時間。
文檔編號H04W12/02GK202095096SQ201020684830
公開日2011年12月28日 申請日期2010年12月29日 優先權日2010年12月29日
發明者熊繼平 申請人:浙江師范大學