[發(fā)明專利]面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)綠色安全數(shù)據(jù)融合模型建立方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110003231.8
• 申請(qǐng)日: 2021-01-04
• 公開（公告）號(hào): CN112804685B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾孟佳;黃旭;徐會(huì)彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖州學(xué)院
• 主分類號(hào): H04W12/106
• 分類號(hào): H04W12/106;H04W40/08;H04W40/32
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 劉妮

1.面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的輕量級(jí)綠色安全數(shù)據(jù)融合模型建立方法，其特征在于：包括如下步驟：

S1：能量消耗模型建立：一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被簡(jiǎn)化為由發(fā)射器元件和功率放大器組成的基本結(jié)構(gòu)，由于發(fā)射端在運(yùn)行發(fā)射器元件、功率放大器時(shí)執(zhí)行發(fā)送操作會(huì)消耗能量，接收端運(yùn)行發(fā)射器元件執(zhí)行接收操作時(shí)也會(huì)消耗能量，收、發(fā)兩端若相距dm，當(dāng)d較小采用自由空間傳輸模型，默認(rèn)為一跳，d較大時(shí)采用多徑衰落信道模型，默認(rèn)為多跳，則相距dm的發(fā)射端與接收端之間傳輸qbit消息所消耗的能量為：

其中：E_el表示運(yùn)行發(fā)射器元件時(shí)每比特所消耗的能量；E_frs、E_tworay分別表示發(fā)射器在自由空間和雙徑傳播模型的單位功率放大器的能量消耗，其中，并且d₀為：

其中，h_t、h_r分別為發(fā)送端與接收端的離地距離，λ為波長(zhǎng)，

相應(yīng)地，接收qbit的消息所消耗的能量為：

E_re(q)＝q×E_el (3)，

S2：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)序劃分：將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí)序劃分多個(gè)周期，一個(gè)周期稱為一輪，每輪分為準(zhǔn)備階段和傳輸階段，準(zhǔn)備階段進(jìn)行傳輸前的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，工作階段完成數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸模型遵循TDMA，則每個(gè)節(jié)點(diǎn)將會(huì)被分配一個(gè)時(shí)隙，節(jié)點(diǎn)在該時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

S3：聚類：將傳感器的k類屬性參數(shù)化為P_m(m∈[1，k])，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中有N個(gè)傳感器，則P_im(i∈[1，N])表示第i個(gè)傳感器的第m個(gè)參數(shù)，則由傳感器及其參數(shù)可以構(gòu)成一個(gè)N×k二維矩陣，將所有傳感器的對(duì)應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行公式(1)中的操作，以表示，

則表示傳感器i與j完全不相似，則表示傳感器i與j完全相似，ε為一可調(diào)節(jié)閾值，初始時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，則傳感器i與傳感器j的相似度為，

其中，α_m為每個(gè)參數(shù)的權(quán)重，且滿足約束

傳感器的通信半徑為R_i(i∈[1，N])，只考慮在一跳范圍內(nèi)成簇，

以坐標(biāo)(x_i，y_i)表示傳感器i在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)，則傳感器i到傳感器j的距離為，

引入另一參數(shù)θ_ij表示傳感器i是否在傳感器j的一跳范圍內(nèi)，

將同簇傳感器節(jié)點(diǎn)約束在單跳范圍內(nèi)，可得聚類參數(shù)為，

分析可得，當(dāng)ρ_ij＞0時(shí)所對(duì)應(yīng)的傳感器i與j可聚為一類，在分簇時(shí)可分成一簇；

S4：最優(yōu)簇?cái)?shù)及簇頭確定：簇?cái)?shù)為C(C∈[2，N])，以ρ_ij為參數(shù)運(yùn)行k-means算法，并記錄簇?cái)?shù)不同時(shí)分簇結(jié)果的每簇節(jié)點(diǎn)數(shù)，

其中，為的向下取整值，N_ci表示的是第i個(gè)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)與平均簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)差距最小的分簇結(jié)果所對(duì)應(yīng)的簇?cái)?shù)，即為最優(yōu)簇?cái)?shù)，則最優(yōu)簇?cái)?shù)為，

以最優(yōu)簇?cái)?shù)所對(duì)應(yīng)的每簇節(jié)點(diǎn)數(shù)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)都運(yùn)行，完成分簇過(guò)程；

S5：模式碼生成減少冗余數(shù)據(jù)傳輸：將本輪采集數(shù)據(jù)與上一輪采集數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，比較結(jié)果分為不變數(shù)據(jù)、一般數(shù)據(jù)和預(yù)警數(shù)據(jù)，不變數(shù)據(jù)無(wú)需傳送數(shù)據(jù)，一般數(shù)據(jù)只傳送變化了的數(shù)據(jù)部分，預(yù)警數(shù)據(jù)傳送其全部數(shù)據(jù)給簇頭并發(fā)出預(yù)警信號(hào)，

則數(shù)據(jù)改變的分類函數(shù)可定義為，

其中，S₀、S₁、S₂分別表示不變數(shù)據(jù)、一般數(shù)據(jù)和預(yù)警數(shù)據(jù)的集合，即表示數(shù)據(jù)的變化程度，η為引入變化率，ε₁和ε₂為設(shè)定閾值，D代表傳輸數(shù)據(jù)集合；

S6：簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸路徑確定：構(gòu)建簇頭到基站的無(wú)向連通圖G，

G＝(V，E，W) (13)，

其中，V是圖的節(jié)點(diǎn)集，E是圖中節(jié)點(diǎn)間的邊的集合，W表示邊集E每條邊上的權(quán)的集合，W_ij表示邊(v_i，v_j)上的權(quán)，這里W_ij＝1/E_ij，E_ij表示節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的能量消耗，即能耗越大權(quán)重越小，由于傳感節(jié)點(diǎn)i和j間的距離為D_ij，由于節(jié)點(diǎn)間的通信半徑為R_i，則當(dāng)D_ij≤R_i時(shí)，表示節(jié)點(diǎn)i在節(jié)點(diǎn)j的通信范圍內(nèi)，是j的鄰節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j可直接通信，

另設(shè)集合P、P′、TE，其中，

P＝{v|v為已求得的最短路徑樹上的一個(gè)點(diǎn)}，

P′＝V-P，

TE＝{(u，v)|(u，v)為已求得的最短路徑樹上的邊，u∈P，v∈P}，

再設(shè)W(v_i)表示最小權(quán)系數(shù)，

W(v_i)為從基站到節(jié)點(diǎn)v_i的最短路徑v_i-BS上的權(quán)的倒數(shù)之和，該值在建樹過(guò)程中存于節(jié)點(diǎn)v_i中，則建立N個(gè)節(jié)點(diǎn)，包含基站節(jié)點(diǎn)，路由樹的算法具體步驟如下：

初始化，令

W(BS)＝0，W(v_i)＝∞，i＝1，2，…，N，P＝(BS)，P′＝{v_i|i＝1，2，…N-1，}，TE＝{Φ}；

從BS出發(fā)，找出與基站相連且D_ij小于R_i的所有邊(v_i，v_j)的權(quán)值W_ij，其中v_i＝BS∈P，v_j∈P′，再?gòu)闹羞x取權(quán)值w_i0j0最大的邊(v_i0，v_j0)，其中v_i0∈P，v_j0∈P′，權(quán)最大則表示能耗最小，則節(jié)點(diǎn)v_j0可加入P中；

求出與節(jié)點(diǎn)v_j0相連且另一個(gè)節(jié)點(diǎn)在P’中的所有邊(v_i，v_j0)，i＝1，2，…k，v_i是在集合P′中且與節(jié)點(diǎn)v_j0相鄰的節(jié)點(diǎn)，i為P中所有與v_j0相鄰的節(jié)點(diǎn)的標(biāo)號(hào)；

求節(jié)點(diǎn)v_j0在各邊(v_i，v_j0)上的最小權(quán)系數(shù)W(ij0)，這里，

求頂點(diǎn)v_j0的最小權(quán)系數(shù)W(v_j0)，

W(v_j0)＝min{W(ij0)} (16)

求使W(v_j0)最小的邊(v_i，v_j0)，把該邊(v_i，v_j0)并入TE，把頂點(diǎn)v_j0從P’中取出并入P中，即，

判斷P′是否為空，若為空，則算法結(jié)束，否則轉(zhuǎn)初始化步驟后繼續(xù)，

路由樹的算法結(jié)束后就在網(wǎng)中建立以基站為根，所有簇頭節(jié)點(diǎn)為中間節(jié)點(diǎn)或者葉子節(jié)點(diǎn)的路由樹，樹上每個(gè)節(jié)點(diǎn)到根的路徑是最短的；

S7：數(shù)據(jù)完整性認(rèn)證：采用數(shù)據(jù)完整性認(rèn)證算法，其中算法中各種符號(hào)的含義，

v_i→v_j：節(jié)點(diǎn)i發(fā)送消息給節(jié)點(diǎn)j，

key_ij；節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)j之間的密鑰對(duì)，

id_i：節(jié)點(diǎn)i的唯一地址身份標(biāo)識(shí)符，

節(jié)點(diǎn)剩余能量和初始能量之間的百分比，

pc_i：節(jié)點(diǎn)i的模式碼，

mac(Key，Mess)：用密鑰Key加密消息Mess的認(rèn)證碼，

f(pc₁，pc₂)；中間節(jié)點(diǎn)融合函數(shù)，

葉子節(jié)點(diǎn)G、H、I感應(yīng)數(shù)據(jù)，

G、H、I是完成了模式碼篩選數(shù)據(jù)后需要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，其所在路徑的簇頭節(jié)點(diǎn)B、F融合數(shù)據(jù)，并傳送到基站，

傳送數(shù)據(jù)步驟如下：

步驟1：節(jié)點(diǎn)G向其父節(jié)點(diǎn)B發(fā)送數(shù)據(jù)：

公式(18)為節(jié)點(diǎn)G發(fā)送給其父節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)，其中包括節(jié)點(diǎn)G的

ID，隨機(jī)數(shù)據(jù)Nonce，節(jié)點(diǎn)生成的模式碼，剩余能量與初始能量的百分比，以及消息認(rèn)證碼，消息認(rèn)證碼是節(jié)點(diǎn)G與其父節(jié)點(diǎn)B之間的共享密鑰，實(shí)現(xiàn)消息來(lái)源的認(rèn)證；

節(jié)點(diǎn)H、I重復(fù)步驟1的過(guò)程發(fā)送消息給父節(jié)點(diǎn)B，父節(jié)點(diǎn)B根據(jù)融合算法融合其接收到的數(shù)據(jù)，并發(fā)送如下消息給其父節(jié)點(diǎn)F：

mac(key_BF，Nonce_B，||pc_B) (23)

其中，F(xiàn)根據(jù)B利用式(19)-(21)發(fā)來(lái)的消息接認(rèn)證G、H、I節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的源數(shù)據(jù)，同時(shí)利用式(22)、(23)來(lái)認(rèn)證節(jié)點(diǎn)B是否有篡改融合數(shù)據(jù)；

步驟3節(jié)點(diǎn)F認(rèn)證通過(guò)后，向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，其消息格式如下：

mac(key_FBS，Nonce_F，||f(pc_F)) (25)

基站通過(guò)驗(yàn)證式(25)來(lái)證實(shí)節(jié)點(diǎn)F是否有篡改數(shù)據(jù)。