文摘
在传统的无线传感器网络中,信息传输通常使用数据加密方法,防止信息被非法窃取。然而,一旦泄露加密方法,窃听节点可以很容易地获取信息。LT码rateless代码;如果是被随机信道噪声,解码过程将会改变和译码开销也会随机变化。当它用于无线传感器网络的物理层通信,它确保目标节点恢复所有的信息没有添加的关键,而窃听节点只能获取部分信息来实现无线信息安全传输。减少窃听的拦截效率节点,物理层安全(PLS)方法具有双重LT码编码矩阵的排序(DEMR-LT代码)。这个方法执行两个连续LT码级联编码源符号,和部分编码矩阵重新排序根据每一列的程度值从大到小,从而降低窃听节点恢复源信息的概率。实验结果表明,与其它LT码请计划相比,DEMR-LT代码只增加少量的译码开销。然而,它可以有效地减少窃听节点的拦截效率和提高信息传输的安全。
1。介绍
在无线传感器网络中,限制了电流传感器设备和计算能力的成本,传统的加密技术不能有效安全的无线传感器网络中信息传输。由于这个问题,请技术基于信息理论1- - - - - -3)从研究人员已经吸引了越来越多的关注,因为没有钥匙请技术可以实现安全传输。相比传统的加密方法在网络层和上面层,请利用无线信道的特点结合无线通信技术来减少窃听者的信号接收质量,实现信息的安全传输。
请的概念可以追溯到1949年。香农提出安全通信的原则和完善保密制度的概念4]。之后,怀纳提出了窃听信道模型(5)和定义的保密能力退化的窃听频道在1975年基于信息理论。这两个作品设置信息请技术发展的理论基础。根据保密能力的定义,可以实现安全通信的传输过程窃听信道的信道容量的主要通道高于窃听通道。因此,大多数现有的请技术旨在提高安全能力。常用的方法包括人工噪声(6],合作继电器[7),和波束形成8]。其中,人工噪声是一个重要的应用方向请。把人工噪声主要通道的零空间可以减少窃听者的信号接收质量而不影响合法接收器的信号接收。例如,人造噪音设计方法提出了基于保密能力优化(9]。传统的人工噪声方法的基础上,当地人为噪声添加到无线通信系统的抗噪能力转换成保密能力。(10]提出请计划基于联合反馈和人工噪声没有任何偷听者的信道状态信息,保密能力是最大化通过优化之间的功率分配比秘密信息和人工噪声。
近年来,请技术已成为一个重要的解决问题的办法与无线传感器网络的安全。例如,[11)提出了一个合作干扰方案为无线传感器网络,在合作干扰节点干扰偷听者通过发送噪音,和合法的接收者可以有效地消除噪声通过使用正交向量的正交性,从而提高信息传输的机密性。(12)提出了物理层网络编码方案的机密数据在无线传感器网络传输,在源节点发送数据到目标节点通过中继节点。通过应用物理层网络编码,信号接收的中继节点是保证密不可分,防止外部窃听者的攻击。与传统的加密技术相比,尽管请技术可以实现更强的安全性能,传输速度的缺陷。(13)提出,在物理层安全能力的限制,信息传输速率将大大减少,这将导致延迟的合法的接收者的信息接收。为了解决这个问题,14)首次引入喷泉码(15请技术,提出了一个传输功率控制策略来提高信噪比的合法的接收者。当主要通道的质量比窃听信道,合法的接收者可以接收信息的速度。根据喷泉码的工作原理,假设源符号分组,每组包含的来源符号。喷泉码编码后,可以生成无限的编码符号。只要接收器接收编码的符号,源符号可以恢复只是略高于 。在窃听通道,安全信息传输的主要通道可以保证只要合法接收器接收编码符号之前偷听者并完成解码利用这个喷泉码的特征。
减少拦截窃听在无线传感器网络中节点的效率,请计划提出了基于编码矩阵重新排序根据每一列的程度值从大到小,通过二级LT连接编码。这项工作的主要贡献可以概括如下:(1)本文提出请传输方法的无线传感器网络使用LT码作为antieavesdropping代码和建立一个DEMR-LT代码请编码模型。此外,一个编码矩阵排序方法DEMR-LT编码提出了减少的概率窃听节点完成解码在目标节点在每个解码(2)摘要解码开始时间和解码的象征DEMR-LT码推导和仿真实验验证了。证明DEMR-LT代码可以减少拦截窃听节点效率,同时增加少量的译码开销
本文的其余部分组织如下。部分2介绍了最新研究无线传感器网络的相关工作。部分3简要介绍了系统模型和LT码。部分4介绍了编码和解码方法DEMR-LT代码的设计。部分5提供DEMR-LT代码的性能分析。最后的结论部分提供了6。
本文中使用的所有数学符号如表所示1。
2。相关工作
传统的无线传感器网络安全技术主要是基于密码学。例如,[16)提出了一个安全有效的分层(SEHKM)无线传感器网络密钥管理方案。在这个方案中,一个网络密钥,组密钥,和成对密钥建立传感器节点之间发送的消息进行加密,这不仅保证了信息传输的安全,还可以提高无线传感器网络的计算和存储效率。(17)提出了一个有效的动态异构无线传感器网络的认证和密钥管理方案(HWSNs)。密钥分发算法生成动态密钥基于现有信息没有任何安全通道和共享阶段,提高信息传输的安全性。(18)提出了一种局部动态方案基于集群拓扑层完整的无线传感器网络的密钥管理进程,和节点的数量需要更新动态密钥协议过程的关键是减少条件下保护网络的安全。
随着计算机技术的发展,窃听者的攻击能力也不断提高,因此,需要更复杂的加密算法保持传感器节点之间的信息安全。然而,传感器节点在实际工作过程中,由于其计算能力薄弱、单个节点无法进行复杂的加密计算。因此,传统的加密算法面临着巨大的挑战。近年来,请已逐渐成为无线传感器网络安全中一个共同的研究课题由于其低计算复杂度和直接应用现有请技术的能力,比如人工噪声和合作继电器传感器网络。例如,[19)请协同通信技术应用于无线传感器网络,设计了一个安全协议适用于传感器网络,这提高了节点之间的信息安全传输的性能。(20.)提出利用机会调度方案和基于无线电力传输的多次反射传播改善请在无线传感器网络中,使数据安全传输的偷听者。
结合喷泉码请技术可以提高信息传输速率,同时保证系统的安全。例如,[21)提出了一个基于喷泉编码请方法由于结合喷泉码与合作干扰技术。窃听者的信号接收质量降低,和星座旋转的方法是用来减少干扰的影响在合法的接收者。(22,23]提议使用合法接收者的反馈信息动态调整喷泉码的编码机制提高合法接受者的解码速度。(24)提出了一个喷泉coding-aided安全传输方案和延迟和内容意识,也使用反馈调整的数量和优先级编码符号,并成功地应用该方案图像传输。在[25,26),作者提出提前发送1符号程度,重新排序喷泉码的编码矩阵的每一列的程度值显示小大。开始的解码是先进的中间提高回收率在线喷泉码的符号。因此,结合喷泉码的优点和请技术可以进一步提高无线传感器网络的信息安全传输性能。
3所示。系统模型和LT码
3.1。窃听信道模型,基于无线传感器网络的LT码
无线传感器网络是无线网络由大量的传感器以自组织和多次反射的方式。源节点(爱丽丝)收集信息并将信息发送到目标节点通过无线网络(Bob),而窃听节点(夜)使用无线网络的开放结构来获得大量的信息通过监测无线传感器网络。LT码是一种喷泉代码简单的编码和解码的优势和较低的译码开销。当结合窃听信道模型5),信道编码在无线传输的物理层可以实现antieavesdropping效果更佳。窃听信道模型,基于无线传感器网络的LT码图所示1。
在图1窃听信道模型,基于无线传感器网络的LT码主要由源节点的爱丽丝,目标节点鲍勃,窃听节点夏娃。Alice和Bob之间的通道称为合法渠道,和爱丽丝和夏娃之间的通道称为窃听信道。LT码选为antieavesdropping代码,和接收者节点使用信念传播(BP)解码。假设夜知道所有的解码规则鲍勃。在图1,爱丽丝第一组源符号,然后不断发送编码符号通过LT鲍勃编码器,而夏娃偷LT编码符号的合法通道通过窃听通道。当鲍勃收到足够的LT编码符号和完成解码,鲍勃将ACK指令发送给爱丽丝,告诉爱丽丝停止发送源符号。如果夜没有完全恢复源信息,不完整的LT编码符号夜不能继续接收到解码过程,从而减少夏娃的拦截效率。
3.2。LT码度分布
LT码是一种喷泉设计的代码使用健壮的孤子分布(RSD)度分布函数15],RSD度分布函数是由理想的孤子分布(ISD)和增强因子归一化之后。ISD所示的定义 在哪里代表原始符号和的数量表示程度的编码符号。
表示如下: 在哪里 , 是一个常数, ,和代表的最大概率解码失败。
规范化方程(1)和(2),可以获得相对标准偏差度分布函数如下: 在哪里 和表示程度的概率1符号。
3.3。LT码编码矩阵在消除通道
我们组源符号,每组源符号包含符号。在英吉利海峡消除概率 ,LT编码矩阵设计根据方程(3)所示
在方程(4),是 矩阵元素“1”的位置在LT编码矩阵的每一列代表相应的源符号的位置,代表数量的程度值对应的编码符号。
LT码编码符号 。一群恢复源符号,正确编码符号的数量目标节点需要接收 。然而,消除影响频道,编码符号的数量由目标节点接收 。由于LT码是rateless代码,以确保有足够的编码解码符号,列的数目满足 。
4所示。DEMR-LT码的编码和解码方法设计
antieavesdropping方法在传统肝移植代码,因为学位1符号出现早,需要很长时间的目标节点鲍勃解码从开始到结束。因此,窃听节点前夕给出更多的时间来接收解码编码符号,和夏娃之前可能完成解码鲍勃。为了应对这一问题,本文提出了DEMR-LT码图的基础上1。因为我们需要进行二次LT级联编码源符号,第一个LT编码过程称为LT-1编码。然后,第一第二LT编码过程 编码符号中获得LT-1编码称为LT-2编码,和部分编码矩阵重新排序根据每一列的程度值从大到小两个编码过程,推迟解码接收节点,实现antieavesdropping的开始时间。
4.1。擦除的DEMR-LT代码编码矩阵设计频道
获得的编码符号DEMR-LT编码,编码矩阵需要设计。首先,源符号分组,每组源符号的数量 ,和编码符号的数量必须完成LT-1 LT-2解码和 ,分别。编码符号的数量是由编码矩阵的列的数量,以确保目标节点收到足够的解码符号解码,LT-1编码矩阵的列数 ,和LT-2编码矩阵的列数 。
以下4.4.1。LT-1编码矩阵
根据方程(4)获得的编码矩阵 ,编码矩阵通过重新排序编码矩阵的第一列 在根据每一列的程度值从大到小。以确保源符号LT-1可以完全恢复在最后解码,我们继续获得编码矩阵的列 来 在根据相对标准偏差程度分布。因此,我们可以得到LT-1编码矩阵如下: 在哪里是 矩阵和是 矩阵。
在方程(5后),编码矩阵重新排序根据度值,1列程度安排后期的编码矩阵 。通过设置没有学位的1列和程度1列矩阵重新排序根据价值程度和 ,分别LT-1编码矩阵方程(5)可以写成: 在哪里是 矩阵,是 矩阵,度的概率分布 从方程(3当源符号的数量 。
4.1.2。LT-2编码矩阵
LT编码符号不能确定的数量。本文提出了选择第一个 编码LT-1作为源的象征符号进行第二LT编码。LT-2解码符号的数量也很难确定,但它是大于或等于 ,根据方程(4)获得的编码矩阵 ,和是 矩阵。
类似的建设LT-1编码矩阵,我们分裂分为两部分,重新排序第一 列根据程度的价值获得的每一列由大变小 。为了恢复源LT-2的象征,即。,第一个 编码LT-1的象征,据RSD度分布函数,得到 来列编码矩阵 。然后,我们获得LT-2编码矩阵如下: 在哪里是 矩阵和是 矩阵。
4.2。DEMR-LT代码编码和解码方法
假设源符号 ,LT-1编码矩阵是由 , ,和 ,和LT-2编码矩阵 。 是部分LT-1编码符号通过编码矩阵 ; 是另一个部分LT-1编码符号通过编码矩阵和 ; LT-2编码符号获得来自哪里通过LT-2编码矩阵 ;ACK1和ACK2 LT-1解码后的反馈信息的编码和LT-2编码,分别。DEMR-LT代码的物理层安全编码模型如图2。
具体的编码和解码方法DEMR-LT代码如下:(1)我们组源符号,每个组包含符号。我们获得LT-1编码符号根据并获得根据和 。然后,我们使用作为LT-2源获取LT-2编码符号通过编码矩阵(2)爱丽丝控制开关第一选择”2。“然后,爱丽丝发送鲍勃和检查ACK2是否已经收到;如果不是,爱丽丝一直发送鲍勃(3)鲍勃控制开关选择“2”合法的渠道和选择正确的象征BP译码。当被恢复,ACK2发送给爱丽丝,与此同时,Bob控制开关选择“1”(4)当爱丽丝收到ACK2,停止发送 ;与此同时,爱丽丝控制开关选择“1”,并开始发送鲍勃(5)鲍勃接收通过合法的渠道和结合在步骤(3)恢复LT-1解码。当消息是恢复,鲍勃ACK1送到爱丽丝(6)爱丽丝停止发送在收到ACK1并且继续发送下一组DEMR-LT代码编码符号(7)重复以上步骤直到所有组的源符号恢复
算法流程图DEMR-LT代码的物理层安全编码如图3。
由于无线通信,当爱丽丝发送编码符号,夏娃和鲍勃都可以接受爱丽丝的编码符号。假设夜知道解码规则与鲍勃和解码收到爱丽丝编码符号。根据DEMR-LT代码解码规则,夏娃控制开关选择“2”首先接收编码符号爱丽丝通过窃听发送通道和解码鲍勃发送ACK2之前尽可能多。在收到ACK2发送的鲍勃,前夕控制开关选择“1”,然后接收通过窃听信道,并恢复消息一起翻译的一部分 。
过程中爱丽丝发送一组编码符号,由于噪声的影响法律频道和窃听信道,有一些错误鲍勃和收到的收到的夏娃。然而,噪声的随机性导致不同的错误符号收到鲍勃和夏娃,差异也发生在BP译码的过程,这使得前夕和鲍勃很难恢复在同一时间。
如果Bob恢复所有符号和解码他们一起 ,夜只有复苏的一部分符号。因为没有学位1编码的符号 ,夏娃之前不能开始解码鲍勃和需要继续接收一起为解码。然后,有一个情况鲍勃的解码结束,但夏娃尚未获得足够的符号,因此,夜不能继续接收的“瀑布区”并输入BP译码恢复大量的源符号。因此,夏娃只能获得一个小拦截率,甚至为零。当然,也有一些情况下,夏娃恢复信息鲍勃和获得100%的拦截率之前,但它通常是必要的发送多个组符号传播一个完整的消息。因此,夏娃只能拦截源消息总数的一小部分。
5。DEMR-LT代码的性能分析
所需的硬件环境模拟实验在本节如下:英特尔核心™i5™, 8 GB内存,运行Windows™10操作系统,和MATLAB™R2016a应用软件。
实验条件:我们假设无线传感器网络模型结构如图1,那里是一个源节点爱丽丝,一个目的地节点鲍勃,和一个偷听周围现有节点夏娃偷Alice和Bob之间的信息。此外,我们不考虑传感器节点之间的数据加密。鲍勃和夜都使用BP LT解码,解码方法和夏娃知道鲍勃的解码规则。
实验参数:源符号数字 ,传播的群号码是5000,RSD度分布设置 ,和 。
5.1。解码目标节点的开始时间
LT码通常采用BP译码和接收解码当程度1符号开始。在传统的LT码编码矩阵,1不重新排序的列学位,并开始解码时间还不确定,但LT编码矩阵的列数大于或等于什么 。根据方程(5),学位的数量1列在第一 列 。如果没有学位的重排1列,然后解码的开始时间如下: 在哪里代表程度1概率源符号的数量 。
要是LT-1代码用于传输,列数与学位1在第一 列方程(5)是 。重排后,学位1列列中列出 方程(6)。擦除的影响渠道,目标节点接收到学位1符号错误,所以解码开始时间LT-1代码满足 在哪里每个符号的时间吗表示程度的概率分布 通过方程(3当源符号的数量 。
DEMR-LT LT-2编码的编码,是LT-2之源,源符号是什么 ,和第一次出现的时候1编码符号是程度 。然后,满足 在哪里表示程度的概率分布 通过方程(3当源符号的数量 。
DEMR-LT编码解码的过程中,首先必须得到LT-2程度1符号开始LT-1解码,解码符号的数量必须大于或等于 。因为没有学位1编码的符号 ,LT-1解码无法启动,因此,有必要获得学位1符号开始LT-1解码。LT-2学位1接待时间是象征 ,和解码DEMR-LT代码满足的开始时间
方程(9)和(11)是作为平等的迹象比较它们的大小,也就是说,
根据方程(12),当 ,然后 ,和增加 ,然后 。因此,有一个情况DEMR-LT同时编码比LT-1晚开始解码编码或解码。
当合法通道消除概率 和窃听信道消除概率 ,的比较结果传统的LT码的解码开始时间,LT-1规范和DEMR-LT代码如图4。
根据图4,传统的LT码,LT-1代码,和DEMR-LT代码接收平均252,2822,和2824个符号开始解码,DEMR-LT码的解码时间延误了2符号与LT-1代码。
在传统的LT码,接收节点可以开始解码只要收到学位1符号,和解码开始时间早。在LT-1码,接收时间的程度1符号是推迟因为编码矩阵重新排序。因此,解码成功概率之前接受程度1符号是0,而且解码开始时间晚于传统LT码。然而,在DEMR-LT代码,学位1符号的接收时间进一步的延迟是由于矩阵的重新排序和 。因此,解码开始时间是最新的价格相比其他两个方案。
此外,图4显示的曲线DEMR-LT代码和LT-1收到第2822符号之前代码基本上一致。主要原因是这两种编码方法重新排列编码矩阵不同时间的一部分。因此,解码过程不能开始之前收到学位1的象征,和解码成功的概率是0。
5.2。拦截窃听节点的效率
上面的实验条件是一样的和比较窃听信道的变化的影响消除概率和三种不同的LT的合法通道消除概率代码计划拦截效率的窃听节点。实验结果如图5和6。
(一)
(b)
(c)
根据图5,当 ,前夕拦截效率的三个方案都减少增加 ,和夏娃拦截DEMR-LT代码的效率最低。
图6显示的值范围从0到0.8,之间的区别和是不同的;夏娃的拦截效率和之间的关系使用三种不同的方案比较。如图6,夏娃最低拦截效率较其他两个方案在三个通道的条件。在图6(一)退化的窃听信道条件下,夏娃的拦截效率总是随增加而减小 。在图6 (b),夏娃的拦截效率降低,然后稍微增加而增加 。然而,如图6 (c)条件下,即使窃听信道条件优于合法渠道,DEMR-LT代码也可以大大减少夜的拦截效率。
根据实验结果数据5和6,本文提出的方案使拦截窃听节点效率低。主要原因是DEMR-LT代码包含两个解码阶段。在LT-2,鲍勃接收编码符号和解码 。然后,它发送ACK2爱丽丝和停止发送 。夜只能解码偷了足够的象征鲍勃发送之前ACK2继续LT-1解码;否则,消息不能恢复。通过重新排序编码矩阵和根据程度降序排列每一列,DEMR-LT码延迟的接收时间度1符号和缩短前夕收到更多的接收时间符号。因此,夏娃之前完成解码鲍勃的概率降低,导致夏娃的拦截效率进一步下降。
此外,这一现象的原因,夏娃的拦截效率先下降,然后上升图的其他方案6是收到的编码符号前夕和鲍勃是相同的什么时候 。他们两人有相同的解码过程,同时完成解码,因此,夏娃的拦截效率是100%。增加的和 ,编码符号之间的差异受到前夜和鲍勃逐渐增加;夜不能继续根据Bob的解码,解码这可能是鲍勃的解码之前还是之后。因此,夏娃的拦截效率开始下降。当和增加一个较大的值,正确的符号被夏娃是完全不同于鲍勃。只要前夕接受程度1象征鲍勃之前,它可以根据自己的解码解码顺序。然后,夏娃的拦截效率在一定程度上增加。此外,增加范围是受到不同的影响和 。根据图6窃听信道越好,越高的概率前夕将收到1符号前,鲍勃和更大程度的增加拦截效率。
5.3。DEMR-LT代码解码符号数字
在传统的LT代码,假定一组源符号数字 ,译码开销( 和 ),和合法渠道消除概率 。然后,解码符号的数量需要对信息进行解码如下:
在LT-1解码,我们假设一群源符号数字和解码开销( )。LT码解码符号的数量与收到的顺序符号,和LT-1代码只改变解码符号的顺序,所以 。如果只有LT-1代码用于编码,解码符号的数量如下:
根据图2的解码符号DEMR-LT代码组成和 。然后,解码符号的数量为如下:
我们让LT-2解码 编码符号源,解码开销( 和 )。根据方程(LT-2解码,13)的数量需要恢复编码符号可以表示如下:
在结合方程(15)和(16),解码符号的数量需要对信息进行解码与DEMR-LT代码如下:
根据方程(13),(14)和(17)、数字解码的符号三种编码方案的增加而增加 。根据方程(16),当 , ;DEMR-LT代码有最大的价值。根据方程(3)的价值很小, ,和 ,因此,接近LT码和LT-1码。然而,由于平方项分母的方程(17)小于1,增加 ,增加的速度比这更快的和 。因此,当合法渠道好,DEMR-LT代码解码符号的数量接近 。相反,当通道差,解码符号的数量大。
图7研究编码符号的数量,目的节点需要接收完成解码下不同在三个方案范围从0到0.8,其他条件保持不变。
根据图7,解码符号的三个方案的数量增加而增加 ,和解码符号的数量从小型到大型传统LT编码,LT-1规范和DEMR-LT代码。当较大,DEMR-LT代码增加得更快。
6。结论
在无线传感器网络中,针对这一问题,传统的加密算法很容易被破译或泄漏,本文提出一种DEMR-LT代码请传输方案和给DEMR-LT代码编码矩阵设计方法,以及编码和解码方法。研究结果如下:(1)通过比较的开始到结束的时间DEMR-LT与其他LT码编码,解码过程时间缩短,这表明,该方法可以有效地防止窃听节点夜恢复消息的象征(2)通过比较DEMR-LT的拦截效率与其他LT码编码方案,该方案可以进一步减少夜的拦截效率。即使窃听信道比合法渠道,它还可以减少拦截窃听者的效率(3)的数学表达式DEMR-LT码的解码符号数量。根据实验仿真结果,在此方法中,解码符号数量的增加略与其他方法相比,但解码符号的数量不会增加太多的情况下通道消除概率较低。同时确保信息的安全传输,它不会过分提高无线传感器网络的信息传输延迟
它可以得出结论,为无线传感器网络信息传播,当窃听节点获取解码条件相同目的地节点,本文的方案可以确保信息的安全传输。
在未来的工作中,考虑到传感器节点的计算能力有限,进一步改进可以减少编码和解码的复杂性DEMR-LT代码以确保安全信息传输性能的传感器节点,提高传输效率。在未来的应用方面,提出的编码方案可以提供一个参考其他无线传感器网络物理层编码方法进一步提高无线传感器网络的安全性能。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
这项工作是由辽宁省科技计划的项目(批准号20180550911)。