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        基于信源編碼的數(shù)據(jù)融合隱私保護技術(shù)

        2016-02-26 19:57:53胡濤李嶠周宇
        科技視界 2016年3期
        關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)融合隱私保護無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

        胡濤 李嶠 周宇

        【摘 要】針對數(shù)據(jù)融合過程的隱私保護應用需求,基于信源編碼理論將數(shù)據(jù)模值編碼與數(shù)據(jù)融合的過程相結(jié)合,設(shè)計了一種具有隱私保護能力的融合方法。該方法根據(jù)信源編碼思想,從數(shù)據(jù)編碼的角度實現(xiàn)深層次數(shù)據(jù)融合。理論分析和實驗結(jié)果表明,該算法能夠在較低開銷的前提下實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合隱私保護。

        【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)融合;隱私保護;信源編碼

        0 引言

        無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合過程的隱私保護技術(shù)按照其實現(xiàn)數(shù)據(jù)隱藏的原理,主要可以分為兩大類:即通過數(shù)據(jù)形式變換實現(xiàn)隱私保護和和通過加密技術(shù)實現(xiàn)的隱私保護。為了實現(xiàn)精確感知的需求和對單個節(jié)點失效的魯棒性,WSN往往需要進行密集部署,這使得感知數(shù)據(jù)間存在豐富的空間相關(guān)性和冗余性。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗主要集中在數(shù)據(jù)傳輸上且與數(shù)據(jù)發(fā)送量成正比,所以這些冗余信息將會造成巨大的能量浪費。分布式信源編碼為消除這種相關(guān)性提供了很好的思路,它可以使得各相關(guān)信源在不用相互通信的情況下進行獨立編碼,并獲得與相互通信同樣的數(shù)據(jù)壓縮性能,目前在WSN領(lǐng)域中得到了廣泛的研究。由于分布式信源編碼的特征,該技術(shù)可以很好的和數(shù)據(jù)融合結(jié)合起來,從數(shù)據(jù)編碼的角度實現(xiàn)深層次數(shù)據(jù)融合。

        1 理論基礎(chǔ)與研究現(xiàn)狀

        1973年提出的Slepian-Wolf理論是分布式信源編碼的理論基礎(chǔ),本文首先對該理論進行簡要介紹,然后對基于該理論的模值編碼進行闡述,為本文所提的基于信源編碼的隱私保護方法提供理論依據(jù)。

        根據(jù)Slepian-Wolf編碼理論,對兩個互相關(guān)的信號源X,Y進行編碼,如果X和Y知道彼此的互相關(guān)信息,那么X就可以在不需要事先知道Y的情況下獲得與事先知道Y一樣的編碼效率,即圖1所示的兩種編碼方案的效果是一樣的。但是獨立編解碼方案不需要與Y進行通信,因此可以減少通信能耗,這一點對于能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說是十分有利的。

        在Slepian-Wolf編碼理論中將Y稱作邊信息。對X和Y進行獨立編碼,并在譯碼端進行無失真地聯(lián)合譯碼,需要滿足以下條件:對兩個互相關(guān)的信號源X,Y進行編碼,如果X和Y知道彼此的互相關(guān)信息,比如聯(lián)合概率分布p(x,y),那么X就可以在不需要事先知道Y的情況下獲得與事先知道Y一樣的編碼效率。但是獨立編解碼方案不需要與Y進行通信,不但具有更大的靈活性,同時還可以減少通信能耗,保護數(shù)據(jù)的隱私性。在Slepian-Wolf編碼理論中將Y稱作邊信息。對X和Y進行獨立編碼,并在譯碼端進行無失真地聯(lián)合譯碼,需要滿足:

        其中Rx,Ry表示X和Y的編碼速率,H(XY),H(YX)分別表示對應的條件熵,H(X,Y)表示兩者的聯(lián)合熵。

        Slepian-Wolf編碼理論針對兩個相關(guān)信源,主要方法包括伴隨式的分布式信源編碼,Turbo碼,LDPC碼方法,模值方法等。

        2 基于信源編碼的數(shù)據(jù)融合技術(shù)

        考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應用場景,其數(shù)據(jù)相關(guān)性往往表現(xiàn)為其差值在一定范圍內(nèi)且監(jiān)測值連續(xù),因此,本文中采用模值編碼方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合過程的數(shù)據(jù)表示。在模式編碼中,首先作如下約定:設(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)測的數(shù)據(jù)范圍為[mins,maxs],數(shù)據(jù)精度表示為Δ(這一數(shù)值將由實際應用來確定),數(shù)據(jù)編碼的比特數(shù)為n,則可以得到監(jiān)測的數(shù)據(jù)樣本集合如下:

        算法流程如下:

        Step1:構(gòu)建簇型結(jié)構(gòu)

        首先需要構(gòu)建一個分簇結(jié)構(gòu),由于該類型算法較多,其中LEACH算法應用最為廣泛,本文也采用該算法進行簇結(jié)構(gòu)的建立,簇頭節(jié)點表示為CH,簇內(nèi)成員節(jié)點表示為Cn。

        Step2:編碼

        簇頭節(jié)點根據(jù)當前測量結(jié)果向簇內(nèi)節(jié)點廣播邊信息Y。根據(jù)模值編碼技術(shù),若信源X與邊信息Y之間的差值小于2k-1Δ(0≤k≤n),則X 可以以k bit 進行編碼以實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮的目的,即:

        f(X)=index(X)mod2k (1)

        其中f(X)表示X編碼后的信息比特,index(X)=(X-min s)/Δ。由此可知,由于節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)前首先將其進行編碼表示,因此可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)真實數(shù)值的隱藏,對于惡意節(jié)點來說,由于并不知道其編碼過程和邊信息的數(shù)值,因此即使惡意節(jié)點獲得了該編碼結(jié)果也無法得到隱私數(shù)據(jù)。

        Step3:融合

        首先,需要在簇頭節(jié)點進行譯碼操作:

        i=‖Y-ri‖(2)

        其中i表示譯碼后的結(jié)果,S表示由f(X)給出的陪集,ri表示陪集內(nèi)的元素。

        根據(jù)譯碼結(jié)果,簇頭節(jié)點進行融合操作,本文以加法融合為例,融合過程可表示如下:

        y=i(3)

        簇頭節(jié)點在獲得中間的融合結(jié)果后,再將其按照基站節(jié)點發(fā)給其的邊信息進行編碼,編碼過程如公式(1),并在編碼后將數(shù)據(jù)上傳至基站節(jié)點,基站節(jié)點按照公式(2)解碼后即可獲得最終的融合結(jié)果。

        3 算法性能分析

        首先,在算法的復雜度方面,模值編碼的編碼過程較為簡單,僅僅為數(shù)值計算,文獻對其算法復雜度進行了測算,編碼過程的計算復雜度較低僅為0(1)。譯碼過程的復雜度則與與陪集的元素個數(shù)成正比,這是因為需要在陪集中進行搜索對應的數(shù)值。

        其次,數(shù)據(jù)通信量分析?,F(xiàn)有的數(shù)據(jù)融合隱私保護算法大多基本可以分為三種類型,加密,分片或者安全多方計算,我們分別選擇其中的代表性方案SA算法[1],SMART算法[2]和iPDA算法進行性能的比較。

        對于SA算法,由于該算法中需要傳輸節(jié)點的ID用以檢驗數(shù)據(jù)的完整性,總的通信量為4n+ID,其中n為網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的個數(shù),為了方便比較本文忽略ID所需要通信開銷;SMART算法主要依靠對隱私數(shù)據(jù)進行分片傳輸來達到保護隱私的目的,因此數(shù)據(jù)傳輸量主要取決于其數(shù)據(jù)的分片情況,假設(shè)分片個數(shù)為s,則總共需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量應該為s*n。iPDA算法中,由于通過采用安全多方計算的方式來對信息的隱私性進行保護,網(wǎng)絡(luò)中的通信量為3(1-pc)n+6pc*n,其中pc為成為簇頭的概率。而本文算法的數(shù)據(jù)通信量由于進行了信源編碼的壓縮,僅為pd*n,其中pd為壓縮的比例。比較結(jié)果如圖2所示。

        4 總結(jié)與展望

        借助于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)性,本文將信源相關(guān)編碼技術(shù)引入數(shù)據(jù)融合隱私保護方案,重點研究了如何在數(shù)據(jù)融合場景下實現(xiàn)基于模值的編碼和譯碼。在數(shù)據(jù)傳遞過程中不需要參考信息數(shù)值的情況下,節(jié)點對采集到的隱私數(shù)據(jù)進行獨立編碼并傳輸,從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合過程的隱私保護。

        【參考文獻】

        [1]HU Lingxuan, EVANS D. Secure aggregation for wireless networks[C].Proceeding of the 2003 Symposium on Applications and the Internet Workshops, Washington, 2011:384-391.

        [2]Wenbo He, Xue Liu, Nguyen H, and Nahrstedt K. A Cluster-based Protocol to Enforce Integrity and Preserve Privacy in Data Aggregation[C].Proceedings of the 29th IEEE International Conference on Distributed Computing Systems Workshops, 2009:14-19.

        [責任編輯:王楠]

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