用于无线传感器网络数据采集的网络编码方法

摘要

本发明公开了一种用于无线传感器网络数据采集的网络编码方法，能够达到提高数据传输安全性的目的；该方法的步骤为：给定各会话密钥和传感器节点的存储单元形式；传感器节点获取事件信息并进行编码更新；Sink节点进行译码：Sink节点随机选择多个传感器节点并采集编码包，加密得到包头hf；分别利用各会话密钥，对相应的hf解密得到编码矩阵C和编码包矩阵F；若C满秩，根据C^-1和F，计算得到数据包b_l-N，b_l-N+1…，b_l-1；否则，利用全局密钥GK进行加密并广播m₁，…，m_p；选取编码初始值为m₁，…，m_p中的一个的传感器节点；利用各会话密钥再次提取新采集的编码包包头中的信息，构建编码矩阵C₁和编码包矩阵F₁，若C₁满秩，根据C₁的逆计算得到有效数据包b_l-N，b_l-N+1…，b_l-1；否则，译码结束。

主权项

一种用于无线传感器网络数据采集的网络编码方法，该方法所涉及的无线传感器网络中设有无线传感器节点和Sink节点，其特征在于，该方法的具体步骤如下：1)数据初始化；在所述传感器网络中，所有传感器节点都共享一个全局密钥GK,同时Sink节点分别与每个传感器节点共享一个会话密钥，各会话密钥两两不同，每个传感器节点有B个存储单元S_x，x为存储单元序号，x＝0，…，B‑1，每个存储单元用于存储编码包、编码初始值和编码系数，其中，编码包用于根据编码初始值，选取相应的有效数据包，将该有效数据包与相应的编码系数进行加权求和，得到该编码包值；随机分配编码初始值k给传感器节点各存储单元，k的取值范围为[0,N‑1]的整数，N为编码周期；当编码初始值k确定后，每个传感器节点在域内进行编码系数c_x的选取，编码系数c_x的选取原则为：对于同一传感器节点，在其任意两个存储单元中，若两个编码初始值相同，则所选取的两个存储单元的编码系数必须不同；所述为伽罗瓦域GF(2^q)；2)传感器节点获取事件信息并进行编码更新；传感器网络中的所有传感器节点开始获取事件信息并生成数据包，当所有传感器开始进行事件信息获取后，每个传感器节点对所生成的有效数据包进行过时与否的判定，判定规则为：若所获取的有效数据包共N个，依次为b₀…b_j…b_N‑1，当该传感器节点再获取一个有效数据包b_N时，则认为有效数据包b₀过时，N＞B；基于所述判定规则，每个传感器节点对自身的编码包进行编码更新的过程为：①当每个传感器节点获取到的有效数据包为b_j‑1，j≤N时，有效数据包未过时，判断j‑1是否为当前编码初始值k中的一个，如果是，对编码初始值k≤j‑1的编码包进行更新：给每个编码包f_x加上否则，仅对编码初始值k＜j‑1的编码包进行更新：给每个编码包f_x加上②当传感器节点获取到的有效数据包为b_j‑1，j＞N时，将当前有效数据包的编号j‑1减去N，判断(j‑1)‑N是否为当前编码初始值k中的一个，如果是，则将编码初始值为(j‑1)‑N的编码包形式替换为b_j‑1，并对编码初始值(j‑1)‑N加N，同时对其他存储单元的编码包形式进行更新：给每个编码包f_x加上否则，对所有的编码包形式进行更新：给每个编码包f_x加上3)Sink节点进行编码包解码；S00、Sink节点随机地选择n个传感器节点进行数据采集；S01、被选中的传感器节点在自身的多个存储单元中随机选择一个编码包f_x，并对该编码包中的编码初始值进行加密并生成包头，将该编码包以及其包头发送至Sink节点；所述包头包含的信息包括相应编码包初始值k、编码系数c_x和各传感器节点已生成的有效数据包个数l，l≥N；S02、Sink节点分别利用与每个传感器节点的会话密钥，对相应的包头解密得到c_x、k和l，并将c_x和N‑l+k个0构成一个长度为N的编码向量为：Sink节点根据得到的所有编码向量，将这些编码向量记为n＞N，则编码包矩阵F表示为：$F=\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\\ f_3\\ f_4\\ ···\\ f_n\end{array}\right]=C·{\left[\begin{array}{c}{b}_{l-N}\\ b_{l-N+1}\\ b_{l-N+2}\\ b_{l-N+3}\\ ···\\ b_{l-1}\end{array}\right]}_{N\times 1}=\left[\begin{array}{c}{\overrightarrow{c}}_1\\ {\overrightarrow{c}}_2\\ {\overrightarrow{c}}_3\\ {\overrightarrow{c}}_4\\ ···\\ {\overrightarrow{c}}_n\end{array}\right]·{\left[\begin{array}{c}{b}_{l-N}\\ b_{l-N+1}\\ b_{l-N+2}\\ b_{l-N+3}\\ ···\\ b_{l-1}\end{array}\right]}_{N\times 1}---\left(2\right)$其中，C为编码矩阵；f₁,f₂,...,f_n为所有编码向量对应的编码包；b_l‑N,b_l‑N+1...,b_l‑1为传感器节点的最近的N个有效数据包；S03、Sink节点对编码矩阵C进行化简并求秩，并判断编码矩阵C是否满秩；若编码矩阵C满秩，即秩为N，则对编码矩阵C进行求逆并得到编码矩阵C的逆C^‑1，根据C^‑1和编码包矩阵F，计算得到数据包b_l‑N,b_l‑N+1...,b_l‑1，并转至步骤S05；若编码矩阵C不满秩，即秩不为N，则编码矩阵C不可逆；记Sink节点所选取的传感器节点的编码包f₁,f₂,...,f_n的编码初始值分别为K₁,K₂,...,K_n，结合(2)式，如果编码矩阵C满秩，则K₁,K₂,...,K_n应取遍[l‑N，l‑1]内所有整数，而这里编码矩阵C不满秩，将K₁,K₂,...,K_n在[l‑N，l‑1]内未取到的所有整数记为：m₁，…，m_p，p为所述未取到的所有整数的个数；Sink节点利用全局密钥GK对m₁，…，m_p，进行加密并在传感器网络中广播；每个传感器节点在接收到Sink节点的广播数据后，对该广播数据进行解密得到m₁，…，m_p，该传感器节点判断自身存储单元中的编码初始值包含有m₁，…，m_p中的一个，若包含，则该传感器节点被Sink节点选中，被选中的传感器节点随机选择m₁，…，m_p中的一个，并以步骤S01中的方式生成包头，向Sink节点发送相应的编码包和包头；S04、Sink节点在收到多个传感器节点发送的编码包后，按照步骤S02的方法对其包头进行解密，并得到的相应编码矩阵C’和编码包矩阵F’，Sink节点根据C’和C，得到编码向量矩阵$\left[\begin{array}{c}C\\ C^{\prime }\end{array}\right]$并作初等行变换，可将冗余的编码系数消除并得到阶梯矩阵$\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ 0\end{array}\right],$同样地，根据F和F’，得到阶梯矩阵$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ 0\end{array}\right];$其中，C₁为N×N矩阵，F₁为N×1矩阵；Sink节点对矩阵C₁进行化简并求秩，并判断编码矩阵C₁是否满秩；若矩阵C₁满秩，则对矩阵C₁进行求逆并得到编码矩阵C₁的逆由于，$\left[\begin{array}{c}F\\ F^{\prime }\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}C\\ C^{\prime }\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}{b}_{l-N}\\ b_{l-N+1}\\ b_{l-N+2}\\ b_{l-N+3}\\ ···\\ b_{l-1}\end{array}\right]}_{N\times 1}---\left(3\right)$且$\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ 0\end{array}\right]$和$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ 0\end{array}\right]$分别是由$\left[\begin{array}{c}C\\ C^{\prime }\end{array}\right]$和$\left[\begin{array}{c}F\\ F^{\prime }\end{array}\right]$作相同的初等行变换得到的，则有：$\left[\begin{array}{c}{F}_1\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ 0\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}{b}_{l-N}\\ b_{l-N+1}\\ b_{l-N+2}\\ b_{l-N+3}\\ ···\\ b_{l-1}\end{array}\right]}_{N\times 1}---\left(4\right)$即：$F_1=C_1{\left[\begin{array}{c}{b}_{l-N}\\ b_{l-N+1}\\ b_{l-N+2}\\ b_{l-N+3}\\ ···\\ b_{l-1}\end{array}\right]}_{N\times 1}---\left(5\right)$Sink节点根据和矩阵F₁，计算得到每个传感器节点的有效数据包为b_l‑N,b_l‑N+1...,b_l‑1；若编码矩阵C₁不满秩，则转至步骤S05；S05、Sink节点译码结束。