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面向无线体域网的跨域安全通信方案研究

面向无线体域网的跨域安全通信方案研究

作者：魏雅静南昌大学

学位级别：硕士

随着计算机通信技术和传感器技术的发展,无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)在科学研究领域逐渐受到重视。随着研究的深入,无线体域网安全问题成为热点问题。针对无线体域网跨域通信中存在信息安全问题,本文从无线体域网的安... 详细信息

随着计算机通信技术和传感器技术的发展,无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)在科学研究领域逐渐受到重视。随着研究的深入,无线体域网安全问题成为热点问题。针对无线体域网跨域通信中存在信息安全问题,本文从无线体域网的安全和效率需求方面考虑,利用签密算法和区块链技术对无线体域网节点之间信息加密和跨域认证方案进行了研究,以下是研究的主要内容:(1)提出一种面向无线体域网的跨域混合签密方案。首先对方案的通用模型和安全模型进行构建,然后根据通用模型和安全模型对面向无线体域网的跨域混合签密方案进行具体的描述,接着对方案的安全性进行了证明分析,最后本方案与相同类型的方案进行了对比,体现出了本方案性能上的优势。(2)提出了面向无线体域网的联盟链跨域认证方案。本文把区块链与面向无线体域网的跨域认证技术相结合,利用区块链的核心优势去解决当前无线体域网跨域认证存在的密钥托管、单节点故障、中间人攻击等一系列安全问题。本文将不同网络域的密钥生成中心(Key Generate Center,KGC)和第三方密钥生成机构(Private Key Generator,PKG)加入联盟区块链构成联盟链的节点,将代理认证服务器添加到联盟区块链中作为联盟链的非验证节点(Nonvalidating Peer,NVP),NVP通过查验保存在区块链上的身份信息以达到跨域认证的目的。应用区块链能够在去中心化、可信任方面发挥不可忽视的作用,提高密码计算环境的安全性,增强身份认证的安全性。(3)提出了一种安全高效的无线体域网跨域数据访问控制方案。本文将跨域混合签密方案应用到医疗无线体域网中,在原有的单个接收方的无线体域网数据访问控制方案基础之上,设计多接收方的无线体域网数据访问控制方案,提高了身份认证和数据传输的效率;利用联盟区块链优势,消除了可信任的第三方带来的潜在挑战,通过代理认证服务器对节点身份进行管理,保证了无线体域网中生理数据的隐私性。与现有的多接收方的无线体域网安全方案相比,本方案在通信开销和计算开销方面具有明显优势,这为提高无线体域网中跨域通信的安全性提供了良好的解决方案。

关键词：无线体域网联盟区块链无证书混合签密跨域认证

不同流量环境下无线体域网的MAC层资源分配方法研究

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不同流量环境下无线体域网的MAC层资源分配方法研究

作者：王雯莹华南理工大学

学位级别：硕士

无线体域网(Wireless Body Area Networks,WBANs)是由若干体表或体内传感器节点组成的低功耗、短距离无线通信网络。WBAN的信道资源有限且节点在传输需求、优先级等方面具有差异性,这给资源分配带来更多挑战。媒体访问控制(Medium Acces... 详细信息

无线体域网(Wireless Body Area Networks,WBANs)是由若干体表或体内传感器节点组成的低功耗、短距离无线通信网络。WBAN的信道资源有限且节点在传输需求、优先级等方面具有差异性,这给资源分配带来更多挑战。媒体访问控制(Medium Access Control,MAC)协议是WBAN通信协议的关键部分,在信道资源分配方面起重要的作用。现存的MAC协议在节点优先级划分和信道资源分配上还存在不足。一方面,采用固定阈值方式划分节点优先级使采集数据量化不够精确,不能区分同优先级节点的紧急程度差异;另一方面,固定长度的节点接入阶段不能适应紧急节点的资源需求变化,从而造成资源分配不足或浪费。为提高信道资源利用率,合理设计节点优先级,本文针对小流量和大流量环境提出两种MAC协议。主要内容如下:1)针对小流量的体域网提出一种基于优先级的自适应调整MAC(Adaptively Adjusted MAC Protocol Based on Priority,AA-MAC)协议。该协议利用模糊推理系统设计一种自适应节点优先级,综合考虑节点的生命体征、数据速率、超时率和放置位置。该方法采用的模糊推理方法能够消除上述因素的语言模糊性。再根据节点优先级设计动态超帧,为高优先级和其他优先级节点分别提供单一的非竞争阶段和差异化竞争阶段,在确保高优先级节点的可靠传输下实现其他优先级节点的公平访问。该协议根据节点数目和传输负载分配动态超帧的各阶段长度,提升信道资源的利用率。最终仿真证明,该协议在丢包率、吞吐量和公平性上有较大优越性。2)针对大流量的体域网提出一种基于优先级和业务量的自适应感知MAC(Adaptive Sensing MAC Protocol Based on Priority and Traffic,PTAS-MAC)协议。在竞争部分,该协议提出一种基于节点优先级的CSMA/CA方案来降低竞争冲突,先为节点分配初始固定退避值,若发生冲突则分配与优先级对应的错峰退避窗口。该协议提出一种基于信道状态的自适应分区方案,通过普通节点检测的信道状态来划分竞争阶段,既确保紧急节点的可靠性又提高信道利用率。在非竞争部分,该协议先根据节点的业务量、可靠性和优先级设计一个效用函数,通过最大化效用函数来分配时隙数,保证时隙的高效利用。再根据数据堆积变化选择需要传输数据的新旧类型,以提高数据时效性。最后根据节点优先级和数据的寿命分配节点传输顺序,优先传输高优先级且即将超时的数据以降低时延。最后仿真证明该协议在时延、吞吐量和丢包率方面的有效性。

关键词：无线体域网 MAC协议资源分配超帧结构优先级设计

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无线体域网轻量级数据融合隐私保护系统设计

信息与电脑 2023年第11期35卷 74-76页

作者：石焱辉广东省机械技师学院广东广州510805

为了改善无线体域网轻量级数据的隐私加密性能,设计一种无线体域网轻量级数据融合隐私保护系统。系统硬件设计方面,将串口和蓝牙串行端口(Bluetooth Serial Port,BSP)以串联方式通信,并连接通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)接口... 详细信息

为了改善无线体域网轻量级数据的隐私加密性能,设计一种无线体域网轻量级数据融合隐私保护系统。系统硬件设计方面,将串口和蓝牙串行端口(Bluetooth Serial Port,BSP)以串联方式通信,并连接通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)接口。系统软件设计方面,使用D-S合成规则,对传感器节点轻量级数据进行融合。系统传感器发送融合后的数据到多个远程服务存储设备,远程服务存储设备验证接入节点身份并更新身份识别数据,将更新后的身份识别数据接入无线体域网,完成所有设备的身份认证。测试结果表明,每个小组的加密处理耗时均在设定值范围内,结果符合预期目标。

关键词：无线体域网轻量级数据融合隐私保护

CMOS无线体域网收发机集成电路滤波方法研究

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计算机仿真 2023年第11期40卷 256-260页

作者：潘红娜章勇蔡振兴江西工程学院智能制造与能源工程学院江西新余338000 成都大学机械工程学院四川成都610000

电流波动是在电路中经常会遇到的问题,特别是在移动设备和传感器等应用中,电路的稳定性对设备运行的稳定性和可靠性有直接的影响。为了更好的降低电流波动,提出CMOS无线体域网收发机集成电路滤波仿真。构建互补金属氧化物半导体(Complem... 详细信息

电流波动是在电路中经常会遇到的问题,特别是在移动设备和传感器等应用中,电路的稳定性对设备运行的稳定性和可靠性有直接的影响。为了更好的降低电流波动,提出CMOS无线体域网收发机集成电路滤波仿真。构建互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor,CMOS)无线体域网收发机集成电路模型,通过分离集成电路中有功和无功电流的方法检测电路谐波,根据谐波特点实现滤波器的设计;基于滤波器设计原理、截止频率范围、范数、负荷容量以及稳定性,完成滤波器的设计,达到集成电流滤波仿真的目的。实验结果表明,所提方法对于CMOS无线体域网收发机集成电路中的电流波动滤波效果好。

关键词：无线体域网收发机集成电路滤波仿真滤波器设计

基于跨层的无线体域网QoS与能量效率权衡模型的研究

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基于跨层的无线体域网QoS与能量效率权衡模型的研究

作者：王晨阳江苏大学

学位级别：硕士

无线体域网是一种由部署在人体体内或者人体体表的传感器节点和一个中心节点组成特殊的传感器网络。传感器节点主要用来完成对人体体征信息的感知、采集和传输。为了不对人体的生命健康和正常活动造成影响,无线体域网中传感器节点的体... 详细信息

无线体域网是一种由部署在人体体内或者人体体表的传感器节点和一个中心节点组成特殊的传感器网络。传感器节点主要用来完成对人体体征信息的感知、采集和传输。为了不对人体的生命健康和正常活动造成影响,无线体域网中传感器节点的体积和功率水平都受到了非常严格的制约。除此之外,有些无线体域网节点是植入人体内的,频繁更换电池不仅不方便还会对人体造成伤害。因此,为了能长时间的对人体进行监测,需要对传感器节点的能耗进行合理的规划,同时也要保证用户的服务质量,并且延长网络生命周期。为此,本文提出了一种基于业务数据优先级和能耗效率的平衡方法,该方法通过建立Sigmoidal函数,来自动平衡无线体域网系统服务质量和能耗效率,达到延长无线体域网网络生命周期的目的。由于Sigmoidal函数是非凸函数,求解其最优解难度高、计算量复杂。因此本文提出了凸函数差分方法来求解其近似最优解。从而使得无线体域网的系统总效益达到最大。由于传感器节点采集到的数据的传输优先级的不同,本文提出的方法可以根据数据传输优先级的不同调节函数模型的参数,从而可以更有效的对用户服务质量和能耗效率权衡。本文通过MATLAB仿真实验对所提出的优化模型进行了仿真验证,并对仿真曲线进行了分析。本文的主要工作和贡献如下:1.提出了基于业务数据优先级和能耗效率的平衡方法。针对人体体征参数监测优先级差异,同时考虑了系统能耗有效性对网络生命周期的影响,基于平均等待时间效益函数最大化,提出了一种基于业务数据优先级和能耗效率的平衡方法。通过仿真验证了该方法的有效性。2.提出了一种效益最大化估测方法。将无线体域网系统总效益作为优化目标函数。通过凸函数差分的方法,将提出的非凸的函数分解成为两个凸函数的差分形式。同时,利用拉格朗日对偶方案对该优化问题进行了求解。该模型能够平衡数据传输过程中无线体域网的用户服务质量和能耗效率,从而提升了用户的服务质量,降低了传感器节点的能耗,延长了无线体域网的网络生存周期。并且通过MATLAB仿真验证了提出的模型的有效性。

关键词：无线体域网平均等待时间网络生命周期效用函数差分凸优化

能量收集型无线体域网中资源分配机制的研究与实现

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能量收集型无线体域网中资源分配机制的研究与实现

作者：王一冉东华大学

学位级别：硕士

无线体域网(Wireless Body Area Networks,WBAN)是由多个无线可穿戴或可嵌入传感器设备组成的以人体为中心的小型通信网络,其传感器节点具有低功率、小型化以及能量受限等特点。近些年来,随着传感器技术和无线通信技术的快速发展,无线... 详细信息

无线体域网(Wireless Body Area Networks,WBAN)是由多个无线可穿戴或可嵌入传感器设备组成的以人体为中心的小型通信网络,其传感器节点具有低功率、小型化以及能量受限等特点。近些年来,随着传感器技术和无线通信技术的快速发展,无线体域网在医疗、体育运动以及军事等诸多领域得到了越来越广泛的应用。由于广阔的市场前景以及庞大的内在需求,无线体域网在医疗领域中的应用与研究吸引了最多的关注。在健康评估、远程诊疗等诸多新式医疗服务中,无线体域网保障了医疗体征数据的实时监测以及可靠传输,起到了基石的作用。从社会的角度来看,以无线体域网为代表的新技术带来的医疗变革从根本上提升了服务效率、节省了社会资源、降低了病患就医成本,具有极大的社会意义。在无线体域网领域的研究中,能量问题一直都是备受关注的研究课题。由于微型化体域网节点受限的能量存储能力,体域网系统往往难以获得足够的能量供应以维系持续稳定的服务。能量收集型无线体域网是解决能量受限问题的一种新兴方案,其思路是通过为节点引入外部能量补充从而一定程度缓解节点能量受限的困境。虽然能量收集方案从根本上变革了体域网能源方案的主体思路,带来了新的突破与机遇,但仍存在环境依赖性强、公平性问题等亟待解决的痛点问题,因此,更为合理的能量补充模型仍是有研究空间的。资源分配机制是体域网中另一重要的优化目标,资源分配机制主要关注体域网内稀缺资源的分配策略,在能量收集型无线体域网中,通过对能量资源与时隙资源设定合理的分配机制,能够显著提升资源利用率以及系统性能。因此本文以使无线体域网能够向用户提供更为稳定可靠的服务为目标,提出了一种新的混合能量补充模型,并在资源分配机制中从能量分配和时隙分配两个方面进行了优化。论文主要内容及创新工作可总结为以下三点:(1)提出了一种基于动能采集技术和射频能量传输技术的混合能量补充模型,该模型相较于现有模型具有更强的鲁棒性。使用动能采集技术为体域网系统引入外部能量补充,动能采集技术与体域网运行过程契合度较高,部署在人体上的动能采集节点在携带者运动过程中能够便捷地获取能量补充,振动能量的生成受外界条件限制较少,进一步降低了能量补充模型的环境依赖性。同时考虑到能量补充过程中在各节点间产生的能量水平差异,在集成了动能采集模块的高能量水平节点处部署射频能量输出天线,其余节点通过射频能量采集技术从动能采集节点处得到能量补充,最终实现了节点间能量水平的再均衡,避免了由能量耗尽导致的单点故障,进而延长了系统生命周期。(2)提出了一种基于熵权法赋权评分的射频能量传输功率动态调节机制,该机制通过周期性感知系统状态并调整传输功率,从而实现了对资源分配机制中的能量分配部分的控制,进一步提升了混合能量补充模型的鲁棒性与能源利用率。在系统状态感知的过程中,射频能量输出节点通过节点能量水平、拥塞情况等参数周期性地评估执行能量传输任务的时机,并根据评分结果动态调整射频能量输出功率从而适应系统环境的变化。同时,为能量分配机制设计了一种基于计算序列变化次数的熵权法执行周期确定算法,通过避免额外的无效计算进一步降低了方案综合时间复杂度。最终在Castalia模拟器中实现了本文所提出能量分配机制,并验证了机制在生命周期、资源利用率等指标上的性能提升。(3)提出了一种基于拍卖博弈的时隙分配机制,过程中充分考虑了混合能量补充模型中能量采集速率与能量传输速率等新参数对结果的影响。时隙分配机制的设计过程中采纳了拍卖博弈的思想理论,根据体域网时隙分配的特点制定了适用的理想化拍卖模型,并通过博弈论理论基础证明了模型的高效性。同时,结合了体域网节点能量水平、拥塞情况、信道质量以及能量采集能力等因素制定了拍卖模型中的节点估价出价策略,进而保证了时隙分配的客观性与公平性。最终,在Castalia模拟器中实现了完整的资源分配机制,并将其封装为AU-MAC协议,包括了能量分配、时隙分配以及超帧结构设计等多方面的实现。在通过与CSMA/CA和802.15.4两种业界通用方案的对比实验后,论证了本文所设计的机制在丢包率、时延等多个指标上的性能提升。

关键词：无线体域网运动能量收集射频能量传输资源分配机制熵权法拍卖博弈

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基于能量收集的无线体域网节能协议研究

基于能量收集的无线体域网节能协议研究

作者：吴创凡中国计量大学

学位级别：硕士

随着无线体域网(WBAN)在智能医疗和疾病检测方面发挥着越来越重要的作用,人们普遍意识到WBAN中有限的传感器能量无法应对更长时间的工作。然而频繁地更换传感器电池不仅会导致成本增加,也会给佩戴者带来诸多不便。在高度动态的环境下,... 详细信息

随着无线体域网(WBAN)在智能医疗和疾病检测方面发挥着越来越重要的作用,人们普遍意识到WBAN中有限的传感器能量无法应对更长时间的工作。然而频繁地更换传感器电池不仅会导致成本增加,也会给佩戴者带来诸多不便。在高度动态的环境下,由于信道损耗、节点资源受限和数据传输的复杂性,满足WBAN的服务质量(Qo S)要求即吞吐量、时延和丢包率也是一个不小的挑战。为了降低能耗和提高数据传输的可靠性,本文从能量收集技术出发,提出了分组双转发路由协议以及基于遗传算法和模糊逻辑的混合优化算法。第一部分,为了加强信号传输稳定性,本文提出了一种基于能量收集技术的双转发节点选择路由协议(Energy Harvesting and Dual Forwarding node Selection,EH-DFS),通过将传感器节点进行分组,每组分别计算基于剩余能量、链路质量、信噪比和节点间距离的链路代价函数来选择最优转发节点,以最大程度降低单个转发节点的数据聚合负担,并减少路径选择的能量消耗。能量收集技术则利用集成在传感器节点内部的能量采集器,将周围的能源转换为电信号,可以给传感器提供持续的额外能量,以延长传感器节点的使用寿命。仿真结果表明,EH-DFS协议综合考虑了链路质量和节点剩余能量,在网络寿命方面改善大约5%左右,在吞吐量方面改善10%左右,具有相当显著的效果。第二部分,从优化路由选择和提高数据传输速率出发,本文研究了在无线体域网预测阶段和路由选择阶段使用混合了遗传算法和模糊逻辑的优化算法,并且结合能量收集技术,设计了一种基于能量收集的混合遗传算法和模糊逻辑(Energy Harvesting Hybrid Genetic Algorithm and Fuzzy Logic,EH-HGAFL)优化算法。在开始阶段利用模糊逻辑相应的预测判断,再用遗传算法不断优化迭代,最后寻得最佳路由路径,并同时提高传输速率和网络吞吐率。最后通过仿真实验分析表明,该方案有效地降低了信号冲突的概率,提高了数据传输的速率,同时使节点剩余平均能量提高了3.6%。

关键词：无线体域网路由协议传输效率能量收集遗传算法

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基于强化学习的无线体域网安全传输技术研究

基于强化学习的无线体域网安全传输技术研究

作者：洪思愿厦门大学

学位级别：硕士

无线体域网中的主动窃听攻击发射干扰信号,诱导传感器提高发射功率,从而窃取更多包含用户生命体征和身份等隐私信息的感知数据。但是,现有物理层安全机制主要依赖于窃听信道状态和窃听策略等难以获取的信息,在实际无线体域网应用中拦截... 详细信息

无线体域网中的主动窃听攻击发射干扰信号,诱导传感器提高发射功率,从而窃取更多包含用户生命体征和身份等隐私信息的感知数据。但是,现有物理层安全机制主要依赖于窃听信道状态和窃听策略等难以获取的信息,在实际无线体域网应用中拦截概率高。为此,论文研究基于强化学习的无线体域网安全传输技术,采用跨层设计,增强对主动窃听攻击的防御能力,提高网络通信安全。首先,论文提出一种基于强化学习的传感器跨层安全传输方案,无需预知窃听者的信道状态和策略,利用安全强化学习算法联合优化传感器加密密钥长度和发射功率防御策略多变的主动窃听攻击,构建协调器与主动窃听者之间的安全传输博弈模型,推导其纳什均衡和稳态性能界,进而揭示传感器与协调器之间的信道状态等参数对安全传输性能的影响机理。该方案根据数据优先级和接收干扰功率等状态信息,利用修正的玻尔兹曼分布选择传感器加密和功率控制策略,从而规避造成严重数据泄露的风险策略。此外,采用Dyna架构生成虚拟的安全传输经验,加快策略优化速度并提升主动窃听下的安全传输性能。基于脑电传感器的仿真结果表明,在防御基于Q学习选择干扰功率的主动窃听攻击时,所提方案与典型的无线体域网传输相比,将拦截概率从29.1%降低至12.1%,并减少了 10.6%的传输时延。在此基础上,论文提出一种基于智能反射面的无线体域网智能安全传输方案,利用深度强化学习算法联合优化传感器加密密钥长度和发射功率,以及智能反射面的反射相位,进一步增强抗窃听能力。该方案利用动作-评估网络压缩智能反射面配置了大量反射元件场景下的高维状态空间,并输出连续的安全传输策略,避免策略量化误差导致安全传输性能下降。此外,论文利用博弈论构建智能反射面辅助的安全传输博弈模型,推导其纳什均衡,给出并验证对应的稳态性能界,进而揭示窃听信道状态以及干扰信道状态等参数对保密速率的影响。基于智能反射面的仿真结果表明,当脑电传感器与主动窃听者相距4.8米时,与典型的基于强化学习的安全传输方案相比,所提方案将窃听速率从0.32降低至0.24 bits/s/Hz,并减少了 13.3%的传输时延。

关键词：无线体域网窃听安全传输智能通信无线通信

基于深度强化学习的无线体域网数据卸载策略研究

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基于深度强化学习的无线体域网数据卸载策略研究

作者：陈英群广东技术师范大学

学位级别：硕士

无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)广泛应用于医疗服务,以提供远程实时和连续的医疗监护。随着传感器数据的大量增加,WBAN受到有限的存储和计算能力的限制,导致效率和可靠性严重下降。移动边缘计算(Mobile Edge Computing,M... 详细信息

无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)广泛应用于医疗服务,以提供远程实时和连续的医疗监护。随着传感器数据的大量增加,WBAN受到有限的存储和计算能力的限制,导致效率和可靠性严重下降。移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术通过在靠近终端侧部署计算的方式可以快速响应用户的服务请求,有效降低网络延迟和带宽成本,并提高响应速度和服务质量。WBAN作为计算能力有限的计算平台可以和边缘计算相结合来实现更高效率的计算过程,以满足WBAN应用的计算需求。基于MEC的WBAN任务计算在实际应用的过程中也面临着一些挑战,其中最重要的就是如何制定最优的计算卸载策略。本文基于深度强化学习,对边缘网络中任务卸载决策问题进行了研究。主要研究内容总结如下:(1)研究医疗服务场景下MEC的计算卸载与资源分配联合优化(Joint Optimization of Computational Offloading and Resource Allocation,JCORA)问题。将JCORA描述为马尔可夫决策过程(Markov Decision Process,MDP),提出了基于深度确定性策略梯度的WBAN卸载策略(DDPG-based WBAN Data Offloading Strategy,DDPG-WOS),以对长期系统总时延和能耗进行优化。该方案采用MEC来减轻单个WBAN的计算压力,提高传输能力。DDPG-WOS综合考虑信道条件、传输质量、计算能力和能量消耗等因素,优化了卸载策略的制定过程。仿真结果表明,所提算法可以有效地降低长期系统总时延和终端能耗。(2)在研究内容一的基础上,进一步考虑卸载决策方案中的一个缺点,即在计算奖励回报值时只考虑当前状态和下一状态的奖励值,这可能导致对实际奖励函数最优值的错误估计,从而影响WBAN做出最优卸载决策。因此,本文提出了多步深度确定性策略梯度(Multi-step Deep Deterministic Policy Gradients,MSDDPG)算法,综合考虑多个状态的奖励值,MSDDPG算法可以更准确地估计实际奖励函数的值,从而制定出更优秀的卸载策略。综上,本文主要研究了移动边缘计算技术在医疗服务场景下,解决无线体域网在数据处理方面所面临的存储和计算能力限制问题。对于构建一个低延迟、低能耗和高度可靠的医疗服务网络有重大的实际意义。

关键词：无线体域网边缘计算马尔科夫决策深度强化学习