無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法
2023-10-17 14:42:04 1
無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法
【專利摘要】本發明公開了一種無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法，把無線傳感器網絡中節點運行過程中收集的各種狀態信息，應用信息隱藏技術嵌入到常規採集的數據包中傳送給匯聚節點；基站接收到數據包後，利用提取算法能解碼得到嵌入在數據包中的狀態信息，再運用進行分析和處理診斷網絡節點故障。本發明降低了狀態信息獲取過程的傳輸能量開銷，沒有佔用通信帶寬，不影響傳感器網絡的正常工作，對正常監測數據的影響也很小，有效減少了網絡診斷過程的能量消耗，達到能量高效的診斷目的。
【專利說明】無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於無線傳感器網絡【技術領域】，尤其涉及一種在無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法。
【背景技術】
[0002]無線傳感器網絡是由部署在感知區域的大量傳感器節點通過自組織方式構成，節點協作地監測、感知、採集及處理監測對象或環境的實時信息，並將獲取的信息進行處理，以無線中繼通信方式傳送給相應的數據處理中心或基站。數量巨大、不可控的節點部署在難於靠近的惡劣環境，甚至是無法接近的敵對區域，傳感器節點極易損壞或遭到人為破壞；節點攜帶的能量有限，因電源耗盡而失效的現象非常普遍，無線傳感器網絡的故障發生率比一般有線網絡要高得多。無線傳感器網絡的故障產生通常存在不可預測性，如節點元件故障、電源能量耗盡、網絡遭受破壞，或是外界各種幹擾因素引起的射頻衝突、時鐘異步、信號丟失和軟體錯誤等故障。傳感器節點的微型化和低成本導致計算速度、電源能量、通信能力和存儲空間都非常有限，與之相對的是節點隨機部署、網絡拓撲動態、無中心自組織、無線信道不穩定，這些使得故障產生的原因和表現更為複雜。
[0003]故障診斷在無線傳感器網絡技術中的進展相對落後，「診判失據」已被認為是大規模、長期部署的無線傳感器網絡應用系統面臨的三大挑戰之一。對於無線傳感器網絡中發生的故障，缺少準確獲取節點狀態、故障、能量和休眠等狀態的手段，特別是網絡出現異常不能正常工作時，更難以實時評估通信帶寬和數據傳輸能力的動態變化狀況。故障診斷技術能及時發現網絡故障、提高網絡服務質量，對實時掌握網絡狀態起著重要的作用，是保證無線傳感器網絡正常運行的有力後盾。
[0004]雖然目前有許多研究工作，但無線傳感器網絡的故障診斷技術遠遠落後於其應用，還有很大欠缺，存在很多具有挑戰性的問題亟待解決。主動式故障診斷技術具有故障診斷準確率高的優點，但存在獲取網絡狀態信息能量消耗多和通信負載大的不足，可能由此造成網絡擁塞、影響網絡正常工作。如能發揮主動式診斷技術的優勢，有針對性地收集網絡信息，又能避免不足獲取診斷信息過程中造成的能量消耗和網絡擁塞，將對無線傳感器網絡的故障診斷十分有利，適合低耗、高效的應用需求。
[0005]主動式故障診斷技術中，網絡狀態信息的獲取一般是管理者在基站發出輪詢指令，分布在無線傳感器網絡中各處的節點對控制指令作出響應，把中心所需的信息通過網絡傳輸回。這個過程存在能耗大、佔用傳輸帶寬的不足，可能因診斷信息的收集導致網絡擁塞、節點能耗增大，進而縮短節點生命周期、產生新的故障。現有的研究重心主要集中在通過選取最重要的狀態信息及信息聚合，以減小這個過程的通信開銷。因此，在主動式故障診斷技術中，診斷信息收集的低耗性是亟待解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0006]信息隱藏技術具有隱蔽和低複雜度的特點，嵌入在載體數據中的信息不增加通信負載，可有效解決傳遞狀態信息佔用通信流量的問題。受此啟發，為克服現有技術的上述缺點，本發明提供了一種無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法，把無線傳感器網絡中節點運行過程中收集的各種狀態信息，應用信息隱藏技術嵌入到常規採集的數據包中傳送回來；基站接收到數據包後，利用提取算法即能得到嵌入在數據包中的狀態信息，再進一步對網絡狀態信息進行分析和處理，診斷出網絡中節點的運行狀態。
[0007]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法，包括如下步驟:
[0008]A、分布在網絡中的傳感器節點採集監測對象信息與節點狀態信息；
[0009]B、將狀態信息嵌入到常規數據中；
[0010]C、嵌入診斷信息的數據包通過無線傳感器網絡中的節點逐跳轉發，直至傳送到基站；
[0011]D、基站存儲數據包中的監測數據，並提取出其中嵌入的狀態信息；
[0012]E、利用提取到的節點狀態信息，計算網絡中各節點的成功收包率，對其中收包率較低的節點求得狀態相關矩陣，通過對相關矩陣特徵找出故障節點
[0013]步驟A中傳感器節點採集的信息，包括監測對象信息及用於網絡診斷的節點狀態信息，具體內容包括:
[0014]Al、常規監測對象的信息，包括:溫度、光照、電壓；
[0015]A2、用於故障診斷的網絡狀態信息，包括:天線打開次數，天線打開時間，節點發包數目，數據包重傳次數，成功收包數，重複收包數，父節點變更次數，發布任務數，執行任務數。
[0016]相關的信息與傳感器網絡具體的應用相關，包括如下內容，但不僅限如此。
[0017]步驟B進一步包括以下步驟:
[0018]B1、對權利要求2-A2中所述的節點狀態信息進行編碼；
[0019]B2、將編碼後的數據，應用信息隱藏算法逐位嵌入到節點採集的監測數據中，嵌入的操作過程有:
[0020]B2-1.對待嵌入數據的每一位，結合節點ID號與數據包求哈希值，如果其值為1，則轉步驟B2-2 ;否則轉步驟B2-3 ；
[0021]B2-2.取節點採集的數據中最後一位，將該位值改為I ;
[0022]B2-3.重複步驟B2-1和B2_l，直至完成全部編碼的嵌入。
[0023]B3、將完成嵌入處理後的監測數據按照預先設定的格式生成數據包；
[0024]B4、發送生成的數據包至下一跳的節點。
[0025]步驟C中，把嵌入診斷信息後的數據包發送給下一跳的節點，再通過分布在網絡監測區域中的其他節點逐跳地轉發，直至傳送到基站。
[0026]步驟D進一步包括以下步驟:
[0027]D1、基站根據數據包來源，按時間窗、節點ID號和數據內容分類存儲數據包中的監測數據；
[0028]D2、應用隱藏信息提取算法，從監測數據中提取出節點嵌入的數據，提取操作過程有:
[0029]D2-1.依次讀取監測數據最末位的數值，如果其值為1，則轉步驟D2-2 ;否則轉步驟 D2-3 ；
[0030]D2-2.根據節點ID號與數據包求哈希值，得出嵌入的比特值；
[0031]D2-3.提取的比特值為O ;
[0032]D2-4.重複步驟D2-1?D2-3，直至完成該數據包中嵌入信息的提取。
[0033]D3、將提取出的數據解碼並分離，得出節點採集的網絡狀態信息。
[0034]步驟E進一步包括以下步驟:
[0035]El.根據獲取的狀態信息，計算在基站對網絡中各節點的成功收包率(收包率=成功收包數/節點發包數目)；
[0036]E2.當有節點的收包率低於網絡中其他節點收包率的均值超過10%時，初步認定節點異常，再利用網絡狀態相關矩陣作進一步的診斷；
[0037]E3.利用基站獲取的網絡狀態信息，對可能異常的節點求出其在時間窗t內的狀態相關矩陣C(m，t)；
[0038]E4.對節點m的狀態相關矩陣C(m, t)中上三角部分數據的絕對值求均值，當均值低於閾值τ時(通常τ取0.9，也可以根據實際情況調整)則得出該節點運行狀態異常的結果。
[0039]本發明的有益效果包括:
[0040]1.本發明進行故障診斷所需狀態信息通過分布在無線傳感器網絡各處的節點主動獲取，診斷信息不需要做額外的採集，只是通過對節點處理工作的統計得到，不需要額外的設備，對節點的正常工作影響很少；
[0041]2.本發明進行故障診斷所需狀態信息由分布在監測區域各處的全體傳感器節點共同參與，且具有分布均勻的特性，既能發揮主動式診斷的準確性高的優勢，又沒有因診斷信息採集給網絡帶來的負擔；
[0042]3.本發明獲取的網絡狀態信息是嵌入在常規數據中傳輸，不影響的載體信息感官效果和使用價值，在傳輸過程中沒有佔有數據包的空間，也就沒有因傳輸診斷信息的開銷，相應地節約了傳輸能耗和通信帶寬，具有能量高效的優點。
[0043]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1為本發明採用的無線傳感器網絡模型示意圖；
[0045]圖2為數據嵌入過程示意圖；
[0046]圖3為隱藏信息提取過程示意圖；
[0047]圖4為本發明【具體實施方式】提供的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0048]圖1為無線傳感器網絡模型示意圖，本發明採用的網絡模型為:η個傳感器節點隨機部署在一個LXL的矩形監測區域內，匯聚節點在監測區域的上三角。網絡中的無線傳感器節點在部署後通過自組織方式組網，在節點通信半徑內的其他節點可作為鄰居節點進行數據通信。[0049] 傳感器節點採用低能耗偵聽(LPL, Low Power Listening)工作方式，即在一個工作周期(Duty Cycle)內，節點有休眠狀態和工作狀態兩種狀態。為節約能量，節點大部分時間處於睡眠狀態；採集數據是依照預先設定的時間醒來，轉入工作狀態，對周邊環境感知而採集數據，並進行相關處理。睡眠節點周期性地檢測射頻信號，當有射頻活動請求時被喚醒，與其他節點進行數據交換，如接收、轉發數據包等。
[0050]圖2為數據嵌入過程示意圖。在嵌入時使用信息隱藏算法Em和密鑰K，將待嵌信息M嵌入到載體信息C中，形成含隱藏信息的載密信息C』。C』與C非常相近似,表明嵌入信息對原始載體的很小，不影響採集數據的正常使用。
[0051]圖3為隱藏信息提取過程示意圖。通過信道傳輸後的載密信息C"，使用密鑰K對C"應用提取算法Ex，即能提取出嵌入的信息M』。C』在傳輸中可能會經受信道噪聲的幹擾，在接收方可能需要進行數據糾錯，以保證在接收數據有錯的情況下，仍能較好提取到隱藏信息，或者經過糾錯後能提取到。
[0052]本發明【具體實施方式】的主要思路在於，分布在監測區域中的無線傳感器節點在數據採集狀態時，不僅採集監測對象的信息，同時還採集診斷所需網絡狀態信息。獲取所需的各類信息後進行嵌入操作，將網絡狀態信息嵌入到數據包中，發送數據包給下一跳節點，通過網絡中的其他節點逐跳轉發直到基站；當匯聚中心接收到網絡傳回的數據包，可得到監測對象的信息，並進行隱藏信息的提取操作，從數據中提取出嵌入的狀態信息，再利用這些信息對網絡進行實時診斷。如圖4所示，該故障診斷方法包括以下步驟:
[0053]步驟S201:節點採集監測對象信息與網絡狀態信息，將狀態信息嵌入到常規數據包中。
[0054]該步驟中節點採集兩類數據:一類是監測對象的信息，包括為溫度(T)、光照強度
(I)和電壓(V);另一類是網絡狀態信息，包括天線打開次數(Rn)，天線打開時間(Rt)，節點發包數目(Pt)，數據包重傳次數(Pr)，成功收包數(Ps)，父節點變更次數(Fe)，發布任務數(S)，執行任務數(E)。
[0055]監測對象數據T、I和V的長度均為16bit，網絡狀態信息的長度均為4bit。
[0056]由於監測對象的信息數量較少，而網絡狀態信息數量相對多，為能有足夠的空間完成狀態信息的嵌入，且對原始數據的精度影響儘量小，需增加載體信息是數量。當嵌入數據時取監測數據的末位時，嵌入36bit信息，需要36*16=576bit的載體數據，即12個採集周期的數據；若取監測數據的末兩位，嵌入36bit信息，需要36*16/2=288bit的載體數據，即6個採集周期的數據。為能擴大嵌入容量，取載體數據的末兩位用作嵌入，288bit的信息需要採集6次，因此設網絡狀態信息採集周期為T，節點監測對象信息的採集周期為t，相應的有T=t*6，即在一個狀態採集周期T中包含6次對象採集周期t[ I]、t[2]、…t[6]。若對診斷時間或數據精度要求高，可通過其他高效編碼方式對狀態信息作處理後再嵌入以提高編碼效率，可增大嵌入容量。
[0057]節點完成一個周期的網絡狀態信息數據採集後，需將狀態信息嵌入到監測對象信息中，下面介紹信息嵌入操作(Embedding)的主要過程:
[0058]1.對採集的網絡狀態信息編碼，Ec=Rn//Rt//Pt//Pr//Ps//Pd//Fc//S//E (「//」表示字符連接);
[0059]2.對採集的監測對象信息進行預處理C=T(t[l])//I(t[l])//V(t[l])//.//T(t[6])//I(t[6])//V(t[6]), (t[l]、t[2]表示該狀態採集周期中相應的對象採集周期)；
[0060]3.1=l ；
[0061]4.逐個取對待嵌狀態編碼Ec的第i位e[i]，結合節點ID號、密鑰K求哈希值e [i] ' =Hash (e [i], ID, K), (i=l,…，36)；
[0062]5.如果e[i]' =1，轉第5步；否則轉第6步;
[0063]6.若 i 為奇數，將 C[16*DIV(i+l，2)_l]替換為 I ;若 i 為偶數，C[16*DIV(i+1，2)]替換為1，(載體C中的可嵌入位依次為15，16，31，32，...，287，288)；
[0064]7.1=i+l,轉第4步,重複步驟4~7直至完成全部編碼嵌入(i=36)；
[0065]8.將完成嵌入處理後的監測數據C'按照預先設定的格式生成數據包並發送。
[0066]步驟S202:嵌入了診斷信息的數據包通過無線傳感器網絡節點逐跳轉發傳送到基站。節點完成一個採集周期的工作後，將數據發送至下一跳的節點，下面介紹數據包轉發(Relaying)的主要過程:
[0067]1.該節點的下一跳鄰居從LPL狀態中被喚醒，接收前一跳節點發送的數據包；
[0068]2.在數據包中的傳 輸路徑中添加自身的ID號；
[0069]3.從鄰居列表中選取最近的空閒節點，發送數據包至下一跳節點；
[0070]4.重複步驟I~3直至數據包傳輸到目標地址(匯聚節點)。
[0071]步驟S203:基站接收並存儲數據包中的監測數據，提取出其中嵌入的網絡狀態信息。基站接收到網絡中節點轉發來的數據後，根據數據包中標記的源節點ID號獲取數據包來源，按節點ID號分類存儲數據包中的監測數據。由於本發明目的是進行網絡故障診斷，因此對監測數據的進一步處理不作詳細介紹，下面主要介紹狀態信息提取操作(Detecting)的主要過程:
[0072]1.提取預處理:從單個數據包中依次讀取監測數據末兩位的數值，存放在R中(共36bit)；
[0073]2.1=l，逐位對從數據包中分離的R中每位進行提取碼操作；
[0074]3.如果 R[i]=l，解碼得到 d[i]=Hash(R[i]，ID，K)，(i=l，…，36);如果 R[i]=l 則d[i]=0 ；
[0075]4.1=i+l，轉第3步，重複步驟3和4直至完成對R中嵌入信息的解碼(i=36)；
[0076]5.保存提取到的數據d，得到節點在對應時間窗中獲取的節點狀態信息。
[0077]步驟S204:對網絡狀態信息分析和處理，進行診斷網絡故障。下面介紹利用網絡狀態信息進行診斷的主要過程:
[0078]1.利用基站獲得的數據，計算在基站對網絡中各節點的成功收包率(收包率=成功收包數/節點發包數目)；
[0079]2.當有節點收包率低於網絡中其他節點收包率的均值超過10%時，初步認定節點異常，再利用網絡狀態相關矩陣作進一步的診斷；
[0080]3.節點m在時間窗t內的狀態相關矩陣C(m, t)由基站獲取的網絡狀態信息構建，計算方法如下:
【權利要求】
1.一種無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法，其特徵在於，包括如下實現步驟:步驟A.分布在網絡中的節點採集監測對象信息與節點狀態信息；步驟B.將節點狀態信息嵌入到用於傳輸監測對象信息的數據包中；步驟C.嵌入狀態信息後的數據包通過無線傳感器網絡中的節點逐跳轉發，直至傳送到基站；步驟D.基站接收數據包後，存儲其中的監測數據，並從中提取出嵌入的狀態信息； 步驟E.對網絡狀態信息進行分析和處理，診斷出網絡中節點的運行狀態。
2.一種如權利要求1所述的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法， 其特徵在於:在步驟A中，節點採集監測對象信息及用於網絡診斷的節點狀態信息，具體內容包括:Al.監測對象信息為節點通過安置在其上的傳感器採集的對象信息，包括:溫度、光照、電壓；A2.節點狀態信息通過傳感器節點上的程序計數器獲取，內容包括:天線打開次數，天線打開時間，節點發包數目，數據包重傳次數，成功收包數，重複收包數,父節點變更次數， 發布任務數，執行任務數。
3.—種如權利要求1所述的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法， 其特徵在於:在步驟B中將網絡狀態信息嵌入到常規監測信息中，包括以下步驟:B1.對節點狀態信息進行編碼；B2.將編碼後的節點狀態信息碼，運用信息隱藏算法逐位嵌入到監測對象信息數據中；B3.將完成嵌入處理後的監測數據按照預先設定的格式生成數據包；B4.發送生成的數據包至下一跳的節點。
4.一種如權利要求1所述的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法， 其特徵在於:在步驟C中把嵌入節點狀態信息後的數據包發送給下一跳的節點，再通過分布在無線傳感器網絡監測區域中的其他節點逐跳轉發，直至傳送到基站。
5.一種如權利要求1所述的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法， 其特徵在於:在步驟D中，基站接收到網絡中節點採集的數據包並進行相關處理，包括以下步驟:Dl.根據數據包來源,按時間窗、節點ID號及數據內容分類並存儲數據包中的監測數據；D2.使用隱藏信息提取算法，從監測數據中依次提取出嵌入的隱藏信息，並對提取出的數據解碼；D3.完成提取後得到節點狀態信息，分節點與時間窗存儲。
6.一種如權利要求1所述`的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法， 其特徵在於:在步驟E中，對從數據包中提取到的網絡狀態信息進行分析和處理，診斷網絡節點運行狀態，包括以下步驟:El.根據獲取的狀態信息，計算網絡中各節點的成功收包率，收包率=成功收包數/節點發包數目；E2.當有節點的收包率低於網絡中其他節點收包率的均值超過10%時，初步認定節點異常，再利用節點的狀態相關矩陣作進一步的診斷；E3.利用基站獲取的網絡狀態信息，對可能異常的節點m求出其在時間窗t內的狀態相關矩陣C(m，t)；E4.對節點m的狀態相關矩陣C(m，t)中上三角元素的絕對值求均值，當均值低於設定的閾值τ時,則認為該節點運行狀態異常。
7.按照權利要求6所述的無線傳感器網絡中基於信息隱藏技術的主動式診斷方法，其特徵在於，還包括:對從數據包中提取到的節點狀態信息進行分析和處理時，除節點狀態信息外，還使用到常規數據包中的信息，包括:數據包源節點ID號，鄰居節點數，數據傳輸過程的節點ID號，數據包編號。
【文檔編號】H04W24/04GK103607732SQ201310511185
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】肖湘蓉, 莫路峰 申請人:肖湘蓉, 莫路峰