面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法技术

本发明专利技术公开了一种面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法，包括：1)将若干传感器分布于本地物理系统附近对本地状态进行分布式检测；2)得各传感器的贝叶斯检测结果LD，将各传感器的贝叶斯检测结果LD与四个本地检测门限进行对比，量化得2比特量化值{bk0bk1}；3)将得到的2比特量化值{bk0bk1}采用QPSK调制方式送至AFC中，AFC接收各传感器发送过来的2比特量化值{bk0bk1}，然后向各传感器广播发送已知的导频信号，各传感器接收AFC广播发送过来的导频信号，然后根据接收到的导频信号估计主信道的幅度

Secure Distributed Detection Method Based on Constellation Rotation in Energy-constrained WSN

【技术实现步骤摘要】
面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法
本专利技术涉及属于物联网(IoT)中无线传感器网络(WSN)的物理层安全领域，涉及一种面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法。
技术介绍
物联网(IoT)是将射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。IoT系统中将融合如识别和跟踪技术，有线和无线传感器网络(WSN)等各种通信技术和系统。WSN作为一种分布式传感器网络，其应用范围涉及商业、工业、政府、军事等领域。无线传感器网络包含大量的传感器和数据融合中心(FC)，每个节点通过无线网络与其他节点进行通信。由于无线传感器网络本身存在有限的计算能力、有限的存储容量、有限的通信带宽、严格的能量约束等局限性。因此分布式检测和数据融合在无线传感器网络感知环境并做出了决策的过程中发挥着重要作用。分布式检测中，一组传感器可以独立感知特定的环境信息，对信息进行简单处理。然后通过无线信道将判决结果发送给FC，最后对大量数据融合进行FC判决，以获得关于环境的准确信息。在分布式检测中，每个FC都具有数据融合的能力，同时可以按照预先设定的融合准则对传感器反馈信息进行融合并做出判决，最终得到目标状态的准确判断。由于分布式检测中各节点有限的计算能力和开放的通信方式。分布式检测存在很多安全问题，其中一个是被动窃听。窃听的场景是，合法融合中心(AFC)的附近存在若干窃听融合中心(EFC)，因为传感器到AFC是通过无线广播的方式进行通信，所以EFC可以窃听接收到传感器对AFC发送的信息。EFC对窃听得到的数据信息拥有与AFC相似的数据分析、计算及独立做出决策的能力。分布式检测中二进制分布式检测是主流研究方向：多传感器共同检测一个二元状态量、二进制分布式检测具有相对开放的系统环境、即使一个或多个传感器受到攻击或自然损坏也不影响系统的正常检测，决策，具有很强的应用扩展性。现阶段研究多是集中在将分布式检测信号感知、感知状态量化、量化信号加密，加密信号无线传输等不同阶段的安全技术加以协调利用，同时为满足系统能量的约束，分布式检测量化值多为1比特信息。现有文献对WSN中分布式检测安全研究主要集中在以下几个方向：第一，在分布式检测的本地量化阶段，将传感器对目标状态的检测值，随机映射到一组确切的量化值，量化过程产生一个随机概率矩阵，利用这个概率矩阵起到信息加密的作用。第二，同样是在分布式检测的本地量化阶段，选择性地将本地检测性能不好的部分传感器保持沉默，不进行发送，因为本地检测性能差的传感器检测出错的可能性较大，因此会将错误直接传递给AFC，从而影响AFC的融合判决。第三，是在传感器信号向AFC发送阶段，利用传感器到AFC的无线信道状态进行随机反转发送，信道状态差的传感器，信道传输出错的概率就大，所以将其反转发送，即使EFC窃听得到该信号，也不能正确判断原始发送状态。第四，在传感器信号发送阶段，在正常发送信号的同时发送人工噪声，这样做既降低了EFC的性能，又降低了AFC的性能。总之，大部分学者在第一至第三方向的研究中主要集中在传感器检测量化阶段和信道传输阶段，主要进行1比特量化，其中第二和第三方向的研究使EFC的性能达到了最差，得到了绝对安全，但同时也降低了AFC的性能，毕竟在较多场景中，我们不一定需要对EFC的性能进行绝对约束，可以适当放宽，从而提高AFC性能。随着对传感网络物理层安全技术研究的发展，基于分布式本地检测的物理层安全技术有较好的研究前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法，该方法的安全性较好，并且AFC的性能较好。为达到上述目的，本专利技术所述的面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法包括以下步骤：1)将若干传感器分布于本地物理系统附近对本地状态进行分布式检测，设本地状态为θ0和θ1，得各传感器的本地检测值；2)对各传感器的本地检测值使用贝叶斯检测方法，得各传感器的贝叶斯检测结果LD，设各传感器的四个本地检测门限[λL2,λL1,λU1,λU2]，其中，0<λL2<λL1<λU1<λU2<∞，将各传感器的贝叶斯检测结果LD与四个本地检测门限进行对比，量化得2比特量化值{bk0bk1}，其中，{bk0bk1}∈{00,01,10,11}，同时将贝叶斯检测结果LD大于λL1且小于λU1的传感器保持休眠状态；3)各传感器将得到的2比特量化值{bk0bk1}采用QPSK调制方式送至AFC中，AFC接收各传感器发送过来的2比特量化值{bk0bk1}，然后向各传感器广播发送已知的导频信号，各传感器接收AFC广播发送过来的导频信号，然后根据接收到的导频信号估计主信道的幅度及相位再将待发送信号进行相位补偿，随后将主信道的幅度与预设阈值t0进行比较，当大于等于t0时，则采用原始调制星座图发送相位补偿后的信号；当小于t0时，则采用旋转调制星座图发送相位补偿后的信号；4)AFC接收各传感器发送过来的信号，完成能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测。第k个传感器的检测模型为：其中，x′k为第k个传感器对本地状态的检测值，wk为本地检测过程中存在的独立同分布零均值高斯噪声，wk～N(0,σ2)，N(μ,σ2)表示期望为μ、方差为σ2的高斯分布，将第k个传感器的本地检测信噪比snrL＝θ2/σ2。第k个传感器的贝叶斯检测结果为：其中f(θi|xk′)是θi(i＝0,1)状态基于xk′的条件概率分布函数。绝对安全条件为：AFC接收到的第k个传感器发送的信号为：本专利技术具有以下有益效果：本专利技术所述的面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法在具体操作时，采用四个本地检测门限对进行量化，得到2比特量化值，本专利技术得到的2比特量化值相对于传统的1比特量化值，使得本地性能量化更加精细，同时，本专利技术将贝叶斯检测结果LD大于等于λL1且小于λU1的传感器保持休眠状态，即不向AFC上行发送信号，以避免引入本地检测误差，同时节能系统能量，使系统性能更优。另外，本专利技术中，各传感器采用QPSK调制方式对待发送信号进行调制后再进行发送，并将待发送信号进行相位补偿，以减小信道相位对发送信号的影响，同时在发送信号时，根据主信道幅度与阈值的比较结果，选择原始调制星座图发送相位补偿后的信号或者采用旋转调制星座图发送相位补偿后的信号，以提高信息传输的安全性，同时使AFC的性能最优。附图说明图1为WSN系统场景示意图；图2为本专利技术中本地检测四阶量化示意图；图3为本专利技术中基于主信道状态加密示意图；图4为本专利技术中调制星座图旋转示意图；图5为绝对安全条件下三种方案对比图；图6为能量约束β(β＝0.4～1)对FC性能影响图；图7为不同星座图旋转角度φ(φ∈0～2π)对本专利技术性能影响的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：如图1所示，建立能量受限的WSN系统模型，将若干传感器分布于本地物理系统附近对本地状态进行分布式检测，假设本地状态为θ0及θ1。各传感器独立工作，各传感器分别对本地状态进行独立检测，设传感器的数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将若干传感器分布于本地物理系统附近对本地状态进行分布式检测，设本地状态为θ0和θ1，得各传感器的本地检测值；2)对各传感器的本地检测值使用贝叶斯检测方法，得各传感器的贝叶斯检测结果LD，设各传感器的四个本地检测门限[λL2,λL1,λU1,λU2]，其中，0<λL2<λL1<λU1<λU2<∞，将各传感器的贝叶斯检测结果LD与四个本地检测门限进行对比，量化得2比特量化值{bk0bk1}，其中，{bk0bk1}∈{00,01,10,11}，同时将贝叶斯检测结果LD大于λL1且小于λU1的传感器保持休眠状态；3)各传感器将得到的2比特量化值{bk0bk1}采用QPSK调制方式送至AFC中，AFC接收各传感器发送过来的2比特量化值{bk0bk1}，然后向各传感器广播发送已知的导频信号，各传感器接收AFC广播发送过来的导频信号，然后根据接收到的导频信号估计主信道的幅度

【技术特征摘要】
1.一种面向能量受限的WSN中基于星座图旋转的安全分布式检测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将若干传感器分布于本地物理系统附近对本地状态进行分布式检测，设本地状态为θ0和θ1，得各传感器的本地检测值；2)对各传感器的本地检测值使用贝叶斯检测方法，得各传感器的贝叶斯检测结果LD，设各传感器的四个本地检测门限[λL2,λL1,λU1,λU2]，其中，0<λL2<λL1<λU1<λU2<∞，将各传感器的贝叶斯检测结果LD与四个本地检测门限进行对比，量化得2比特量化值{bk0bk1}，其中，{bk0bk1}∈{00,01,10,11}，同时将贝叶斯检测结果LD大于λL1且小于λU1的传感器保持休眠状态；3)各传感器将得到的2比特量化值{bk0bk1}采用QPSK调制方式送至AFC中，AFC接收各传感器发送过来的2比特量化值{bk0bk1}，然后向各传感器广播发送已知的导频信号，各传感器接收AFC广播发送过来的导频信号，然后根据接收到的导频信号估计主信道的幅度及相位再将待发送信号进行相位补偿，随后将主信道的幅度与预设阈值t0进行比较，当大于等于t...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国梅，孙浩，李国兵，吕刚明，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61