人群传感网络是一个由许多参与者通过智能移动设备或预先部署的传感器上传环境数据的数据为中心的网络;然而,在实际应用中出现了关于通信复杂性和数据机密性的担忧。最近,压缩传感(CS)是一种蓬勃发展的理论,它采用非适度的线性投影来减少数据量,然后重建原始信号。不幸的是,不受信任的网络引发的隐私问题仍然仍然仍然消除实际上。在本文中,我们考虑使用无线传感器网络(WSN)中的CS作为应用场景的人群感测,并提出称为扰动压缩传感协议(PCSP)的数据收集协议,以保护数据机密性以及其实用性。首先,我们简要介绍了CS理论和三种因素与重建效应相关。其次,开发了使用秘密干扰的基于安全的基于CS的框架来保护WSN中的原始数据,其中每个节点收集,加密,测量和在我们的协议中传输采样数据。正式地,我们证明我们的协议是根据定理的CPA-Secure。最后,对实际和模拟数据集的评估表明,我们的协议不仅可以实现比相关算法更高的效率,还可以保护信号的机密性。
人群传感网络是利用人群的力量的强大传感器网络。人群感应是一种网络无线感测的形式,可以通过利用WSN来实现。随着巨大的传感器部署,WSN受到相对较弱的计算能力和低能量保留的限制。WSN的主要任务是感知,传输和处理数据包,同时将能量成本保持在最小值。
在传统的WSN中,在通过内联网或专用网络进行通信的情况下,严重消耗带宽,并且来自传感器节点的某些命令不能及时地转发给信息服务器,因为需要发送在收集阶段期间收集的大量数据。另一方面,由于信任管理维护在公共网络中,因此可能会暴露数据机密性。因此,如何在WSN中合理地设计安全传输方案已经成为广泛应用WSN到许多字段的先决条件。
无需传统信号采集过程约束,压缩感测(CS),通过Candes等人提出人提出。[ 此外,传统的WSN数据压缩方法存在以下几个缺点:<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M1">
虽然DCS可以有效地解决传统方法带来的问题,但数据的安全性也不容忽视。CS安全方面的研究还有待进一步探索。一些( 我们提出了一种用于拥挤感知的扰动压缩感知协议(PCSP),该协议可以明显地降低通信复杂度。
压缩感知是一种新的信号压缩方法,它突破了传统采样频率的限制。通过在编码端进行矩阵计算,可以将原始信号从高维压缩到低维,且采样频率小,计算复杂度低。在解码端,通过求解一个凸优化问题对原信号进行重构。
同时,CS在其内部结构层次上能够提供良好的加密特性。因为投影是测量矩阵的函数值,可以看作是编码端和解码端共享的密钥。
对CS的研究专注于与重建效果相关的三个因素:稀疏表示,测量矩阵和重建算法改进。作为应用CS的前提条件,稀疏表示的常见方法是离散余弦变换的基础,快速傅里叶变换基础,分散小波变换基础,Curvelet基础,Gabor基础和冗余字典[ 经典的OMP [ 只要提出CS,如何使用CS提供数据安全性也是一个研究热点。[ 关于通过将CS应用于WSN提出的安全问题,本文提出了一种基于现有DCS模型的加密方法。分析和实验表明,我们的方法可以以高精度提供数据机密性。
首先,让我们回顾一下CS的基本原则。CS理论认为<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M6">
我们称之为<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M16">
和信号稀疏性<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M30">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M31">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M36">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M49">
为简单起见,我们将智能设备和传感器表示为纸张其余部分。我们也假设一般的多彩网网络<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M51">
每个活节点生成一个数据包。当数据包向<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M58">
我们考虑一个多项式有界的对手能够完全控制一定数量的节点的设置。一旦对手入侵了某个节点,它就可以获得该节点的所有密钥,并修改、伪造、丢弃消息,或者简单地发送虚假的聚合结果,其目标是发起隐形攻击[
我们假设最终结果<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M76">
在感知节点之前,可信服务器需要做一些准备工作,如Algorithm所示
信号<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M95">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M96">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M98">
分发<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M102">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M104">
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(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M108">
search with<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M112">
subgroup:<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M113">
获取相应的原子字典;
generate new atomic dictionary; 搜索以找到最优参数<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M115">
除去亚群中选择的原子;
store the corresponding parameters; 正交投影
正交投影
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M122">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M124">
为节点<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M127">
在一轮中<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M128">
然后<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M138">
收到消息后<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M144">
为了<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M154">
稀疏矩阵<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M166">
稀疏<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M169">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M170">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M172">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M175">
(<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M178">
对手可以损害传感器网络中的一部分节点。在节点之后<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M183">
我们认为对手试图伪造有效的情况<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M187">
如果<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M192">
假使,假设<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M193">
现在我们考虑PCSP方案在选择明文攻击中的应用。在这里,我们定义了对手赢得选定明文攻击的概率:即,<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M198">
当一个消息<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M204">
从<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M218">
在本节中,我们试图在实际和模拟数据集上呈现性能评估结果。为了评估我们协议的效率,我们遵循[ 本实验使用的数据集包含NBDC-CTD [
我们遵循一个经典的评价标准,称为估计误差[ 我们运行所有这些算法50次并计算其平均值<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M231">
首先,初始化算法(算法 为了评估我们的方法与未加密数据方法的性能,我们使用了<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M245">
实验参数设置 加密数据与未加密数据比较。
原始数据和恢复数据
加密数据
压缩数据
估计误差
错误的密度
错误
参数
数据 随机生成数据后进行加密<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M254">
搜索Gabor overcomplete字典
随机高斯矩阵,期望= 0,方差= 1
加密数据结果
未加密数据的结果
将压缩感知应用于无线传感器网络的人群感知是一项极其复杂的任务。尽管本文所做的工作最初可以在保持数据隐私的前提下完成传感器能量平衡的任务,但仍有一些挑战有待解决。首先,无线传感器网络与无线传感器网络之间需要进行网络同步<我nl我ne-for米ul一个><米ml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" id="M259">
在WSN人群感测的情况下,我们提出了压缩传感技术相结合来解决有关数据保密性和传感器能源问题扰动压缩传感协议(PCSP)。我们的协议可以概括为两个分量,其中的加密数据是通过扰动由每个节点收集的传感器数据而获得的;然后,通过在WSN人群感测数据压缩是通过利用压缩传感线性投影执行。随后,我们提出的性能分析和安全性分析与证明,我们的协议能够在低能耗的传输信号,同时保持数据的机密性的实验结果一起。最后,我们描述了我们的协议的局限性与今后的工作接踵而至。
两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。
基金资助:国家自然科学基金资助项目(no. 20141201);61272512也没有。北京市自然科学基金资助项目(61300177);4132054.