（通信与信息系统专业论文）躯域无线传感器网络的信道模型及其信息安全的研究.pdf

摘要 摘要 躯域无线传感器网络( w i r e l e s sb o d ys e n s o rn e t w o r k ，w b s n ) 是以附着于体表或 置于体内的传感器为通信终端的超短距离无线网络，其主要应用目标是辅助实现患者生 理状况的无障碍监测和反馈治疗信息以实现智能控制。本学位论文从w b s n 系统的有 效性与可靠性出发，着重研究其体表无线信道的数学模型、网间抗干扰机制以及网内信 息安全解决方案。 论文共分六章。 第一章综述w b s n 并给出论文的研究背景、主要内容及章节安排。 第二章给出论文研究的主要理论与技术基础，讨论论文相关内容的研究进展。 第三章研究w b s n 体表无线信道的数学建模，采用基于时域有限差分法的电磁仿 真工具建立三维多层人体仿真模型，首先分析地面反射对体表无线信道特性的影响，然 后针对当前短距离无线网络常用的2 4 g h z 、5 2 g i - i z 和5 7 g h z 等i s m 频段，在自由空 间环境下对w b s n 体表无线信道给出路径损耗和时延特性的仿真数值并建立相应数学 模型。结果表明，当工作频率较高时，体表无线信道的路径损耗相对较小；当收发终端 都位于主躯干时，平均接收信号功率随最短等效体表距离呈对数衰减，路径损耗指数大 于4 ，当工作频率较高时，路径损耗指数较小，相应的路径损耗数值也较小，路径损耗 相对于最短等效体表距离的变化也较小：当发送端位于主躯干而接收端位于上肢时，平 均接收信号功率随最短体表距离呈线性衰减，并且路径损耗斜率与收发端高度差有关。 为给出w b s n 网间抗干扰机制和网内安全解决方案，论文第四章提出一种用于动 态网络实体识别的基于时变生物特征的新型生物测定系统。有别于现有的一般生物测定 系统，新系统中进行相互匹配的生物特征必须是同步采集的，因此不需要预先采集特征 模板；适用的生物特征必须具备时变特性，并且从不同人体部位检测到的生物特征必须 具备高相似性。论文进一步举例分析一种可应用于新型生物测定系统的时变生物特征， 即心脏搏动间隔。根据从心血管信号( 包括两种不同信号以及从不同人体部位检测到的 同种信号) 中提取的心脏搏动问隔，统计分析该时交生物特征的随机性和同体相似性， 并基于数据全集综合分析该时变生物特征的使用性能，即误接受率和误拒绝率。结果表 明，由心脏搏动间隔生成的动态个体识别码可达到低于2 x l o - 2 的半总错误率( 其定义为 误接受率与误拒绝率和的一半) 。此外，论文还讨论动态个体识别码编码方案对系统性 能的影响，并分析实施新型生物测定系统所需增加的系统成本，包括存储量和计算复杂 性等。 论文第五章首先提出基于时变生物信号的真随机数生成方法，对其生成序列的随机 性能给出实验数据验证结果，进行生成效率评估，并分析由同步同种生物信号作为输入 而生成的不同序列之间的相关性，给出实验数据计算结果；然后，以第四章的新型生物 测定系统为基础，给出可实现身份鉴别和访问控制的对等实体鉴别机制，采用b a n 查堕查堂堡圭堂竺堡茎 ( b w r o w $ ，a b a d ia n d n e c d h a m ) 类逻辑对其进行安全分析，并给出网内节点之间实施该 鉴别机制而发生失败事件的概率与网络节点总数之间的关系表达式，证明该鉴别机制适 用于小规模的w b s n ：最后，提出基于新型生物测定系统的适用于w b s n 的对称密钥 加密系统，包括安全模型和密钥管理等，并对密钥管理的抗攻击能力、空问和计算复杂 性等进行评估。 第六章总结本学位论文工作的主要研究成果并对可以进一步研究的问题给出讨论。 关键词；躯域无线传感器网络，信道模型，路径损耗，时延特性，生物测定系统，加密 系统，身份鉴定，密钥管理 i f a b s t r a c t a b s t r a c t w i r e l e s sb e d ys e n s o rn e t w o r k ( w s s n ) i sak i n do f s u p e rs h o r tr a n g ew i r e l e s sn e t w o r k s c o n s i s t i n go f w e a r a b l eo ri m p l a n t a b l es e n s o r s ，w h i c ha i m st oa s s i s tt h eu b i q u i t o u sm o n i t o r i n g o fh e a l t hs t a t u sa sw e l la 3i n t e l l i g e n tc o n t r o lo fr e a c t i v et h e r a p y c o n s i d e r i n gt h ee f f i c i e n c y a n dr e l i a b i l i t yo f w b s ns y s t e m s ，t h er e s e a r c hf o c u s e so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d em o d e l i n go f o n b o d yw i r e l e s sc h a n n e l s ，a n t i i n t e r f e r e n c em e c h a n i s m sa m o n gn e i g h b o r i n gw b s n s ，a n d i n t r a - n e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns e c u r i t yo f w b s n t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so f s i x c h a p t e r s i nt h ef i r s tc h a p t e r , a ni n t r o d u c t i o no fw b s ni sg i v e n , f o l l o w e db yt h eb a c k g r o u n da n d c o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o n i nt h es e c o n dc h a p t e r , f u n d a m e n t a lt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e so ft h i sr e s e a r c hw o r ka r e p r e s e n t e d b e s i d e s ，r e s e a r c hr e s u l t sa n dv i e w p o i n t so f p r o v i o n sw o r k sa r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r3 ，am a t h e m a t i cm o d e lo fo n - b o d yw i r e l e s sc h a n n e l si ss t u d i e d u s i n gt h e f i n i t ed i f f e r e n c et i m ed o m a i nm e t h o db a s e de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o nt o o lx f d t d ，a t h r e e - d i m e n s i o nb o d ys c a l em o d e li ss e tu pf o ra n a l y s i so fg r o u n dr e f l e c t i o ne f f e c t so n o n b o d yw i r e l e s sc h a n n e l s t h e nf o rt h ew o r k i n gf r e q u e n c i e so fc u r r e n ts h o r tr a n g ew i r e l e s s n e t w o r k s ，i ，e i s mf r e q u e n c i e sa t2 4 5 2 5 7 g h z ，p a t hl o s sa n dt i m ed e l a yc h a r a c t e r i z a t i o no f o n - b o d yw i r e l e s sc h a n n e l si nf r e es p a c ew i t hn or e f l e c t i o na r es i m u l a t e da n da n a l y z e di n d e t a i l t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i cm o d e l sa r e t h e r e a f t e rp r o p o s e d an u m b e ro f c o n c l u s i o n sc a nb ed r a w nf r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i r s t l y , t h ep a t hl o s so fo n - b o d y c h a n n e l sr e d u c e sw h i l et h ew o r k i n gr a d i of r e q u e n c yg e t sh i g h e r s e c o n d l y , w h e nt h er e c e i v e r a n dt r a n s m i t t e ra r cb o t ho nt h eb o d yt r u n k t h ea v e r a g ep o w e ro fr e c e i v i n gs i g n a l sa r e n u a t c s w i t hi t se q u i v a l e n tn l i n i i 舢s u r f a c ed i s t a n c ei nt h el a wo fl o g a r i t h m , a n dt h ea t t e n u a t i o n e x p o n e n to fp a t hl o s si sm o r et h a n4 w h i l et h ew o r k i n gf r e q u e n c yi sh i g h e r a l lo ft h e a r e n u a t i o ne x p o n e n t , c o r r e s p o n d i n gp a t hl o s s ，a n dc h a n g e so fp a t hl o s sr e l a t i v et ot h e e q u i v a l e n tm i n i m u ms u r f a c ed i s t a n c eb e c o m es m a l l e r t h i r d l y , w h i l et h et r a n s m i t t e ri s l o c a t e do nt h eb o d yt r u n ka n dt h er e c e i v e ro nt h eu p p e rl i m b ，a v e r a g ep o w e ro fr e c e i v e d s i g n a l sa t t e n u a t e sw i t hi t sm i n i m u ms u r f a c ed i s t a n c ei nal i n e a rw a y , w h e r et h es l o p ei s r e l a t e dt ot h ea l t i t u d ed i f f e r e n c eo f t l l et w ot e r m i n a l s a sab a s i cs t u d yo fw b s na n t i i n t e r f e r e n c em c c h a n i s ma n di n t r a - n e t w o r ks e c u r i t y r e s o l u t i o n s ，ak i n do fn e wb i o m e t r i cs y s t e m sf o rd y n a m i ci n d i v i d u a li d e n t i f i c a t i o nb a s e do n t i m e v a r i a b l ep h y s i o l o g i c a lf e a t u r e si sp r o p o s e di nc h a p t e r4 d i f f e r e n tf r o mc o n v e n t i o n a l b i o m e t r i cs y s t e m s t h eb i o f e a t u r et ob em a t c h e di nt h en e wb i o m e t r i es y s t e mm u s tb e s i m u l t a n e o u s l yc o l l e c t e da n dt h ee n r o l l m e n ts t e pi st h e r e f o r es a v e d b e s i d e s ，t h eb i o f e a t u r e h i 奎堕盔堂堡圭堂垡堡塞 m u s tb et i m ev a r i a b l ea n dv a l u e so f b i o - f e a t u r ec o l l e c t e ds i m u l t a n e o u s l yf r o md i f f e r e n tb o d y l o c a t i o n sm u s th a v eh i g hs i m i l a r i t y a ne x a m p l eo f s u c hb i n f e a t u r e s ，i e t h ei n t e r v a lo f h e a r t b e a t s ，i st h e np r e s e n t e d g i v e nt h ei n t e r v a l so f h e a r tb e a t sd e r i v e df r o mc a r d i o v a s c u l a rs i g n a l s ( i n c l u d i n gt w od i f f e r e n ts i g n a l sc o l l e c t e df r o md i f f e r e n tb o d yl o c a t i o n s ) ，t h er a n d o m n e s sa n d i n d i v i d u a ls i m i l a r i t yo ft h eb i o f e a t u r ea r es t a t i s t i c a l l ya n a l y z e d b a s e do nt h ed a t ap o o l ，t h e p e r f o r m a n c eo f t h eb i o f e a t u r ei si n v e s t i g a t e di nt e r m so f t h ef a l s er e c e p t i o nr a t ea n d t h ef a l s e 喇e c t i o nr a t e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i ci n d i v i d u a li d e n t i t yg e n e r a t e df r o mt h ei n t e r v a l s o f h e a r tb e a t sc a l lr e a c hat o t a lh a l fe l l o rr a t eo fl e s st h a n2 x 1 0 - 2 ，w h e r et h et o t a lh a l fe i r o r r a t ei sd e f i n e da sah a l fo ft h ef a l s er e c e p t i o nr a t ep l u st h ef a l s er e j e c t i o nr a t e m o r e o v e r , e f f e c t so ft h ei d e n t i t ye n c o d i n gs c h e m eo nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sa l s os t u d i e d ，f o l l o w e d b yt h ec o s ta n a l y s i so fi m p l e m e n t i n gt h en e w b i o m e t r i cs y s t e i i li nt e r m so fs p a c ec o m p l e x i t y a n dc o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i nc h a p t e r5 ，ar a n d o m n u m b e rg e n e r a t i o ns c h e m eb a s e do nt i m e - v a r i a b l ep h y s i o l o g i c a l s i g n a l si sp r o p o s e d e x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o no fs u c hg e n e r a t e db i n a r ys e q u e n c e si sw e l l s t u d i e d t h ee f f i c i e n c yo ft h er a n d o mn u m b e rg e n e r a t i o ns c h e m ei sa l s oa n a l y z e d , f o l l o w e d b yar e l a t i v i t ys t u d yo nt h eb i n a r ys e q u e n c e sg e n e r a t e df r o mt h es a m ep h y s i o l o g i c a ls i g n a l s c o l l e c t e ds i m u l t a n e o u s l ya td i f f e r e n tl o c a t i o n s b e s i d e s ，b a s e d0 1 1t h en e wb i o m e t r i es y s t e m p r o p o s e di nt h e 庐c h a p t e r , ap e e r - t o - p e e re n t i t ya u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s mi sp r e s e n t e d , t h e s e c u r i t yp e r f o r m a n c eo fw h i c hi st h e na n a l y z e du s i n gb a n ( b u r r o w s ，a h a d i ，a n dn e e d h a m ) l i k el o g i c t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef a l s ep r o b a b i l i t yo fe n t i t ya u t h e n t i c a t i o na n dn e t w o r k s i z ei sd e r i v e d ，w h i c hs h o w st h a tt h es c h e m ei sa p p l i c a b l et os m a l l - s c a l ew b s n s t ot h ee n d ， t h en o wb i o m c t r i es y s t e mb a s e ds y m m e t r i ce r y p t o s y s t e mi sp r o p o s e df o rw b s n , i n c l u d i n g s e c u r i t ym o d e la n dk e ym a n a g e m e n t a n t i - a t t a c ka b i l i t i e sa sw e l la ss p a c ea n dc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t i e sa r ea l s oa n a l y z e d t h ef i n a lc h a p t e rc o n c l u d e st h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dm a k e sad i s c u s s i o no nt h ef u r t h e r r e s e a r c hi s s u e st ob ed o n e k e y w o r d s ：w i r e l e s ：s b o d ys e n s o rn e t w o r k , c h a n n e lm o d e l ，p a t hl o s s ，t i m ed e l a y , b i o m e t r i cs y s t e m ，c r y p t o s y s t c m , e n t i t yi d e n t i f i c a t i o n , k e ym a n a g e m e n t 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 蝉日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的 全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：垒乏盘埠 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪中后期以来，人类正经历着有史以来最为迅速的以信息技术为代表的科技革 命。以计算机技术、通信技术、微电子技术和传感技术为主要构成的信息技术，已广泛 应用和渗透于社会各领域，深刻改变了人类的生活、生产和思维方式。 1 1 论文研究背景 随着人们对信息访问和计算功能需求的不断增加，应运而生的可穿戴式计算技术正 使人机交互方式经历一场重大变革【l 捌。通信技术( 尤其是移动通信技术) 的发展大大加 快了信息传递的速度，增进了信息共享的便利，以蜂窝移动通信技术和宽带无线接入技 术为主要代表的移动通信技术呈现出如火如荼的发展势态1 3 川；微电子技术的广泛应用在 不断提高计算速度、增扩存储容量的同时，大大节省了能源、材料和空间消耗1 5 ，o 】。与上 述技术相比，传感技术的发展较为缓慢。自上世纪8 0 年代，传感技术才开始得到重视， 然而不少先进成果仍停留于实验研究阶段，成果转化率较低。如今，世界发达国家已经 普遍重视传感技术的发展，将其视为涉及国家安全、经济发展和科技进步的关键技术之 一。因此，近年来传感技术发展迅速，传感器新品种、新结构和新应用不断涌现、层出 不穷 7 , 8 1 。 与此同时，作为前沿高新技术之一的生物技术，正逐步与信息技术相互融合，共同 推进着2 l 世纪经济的快速发展【9 ，1 0 】。值得注意的是，生物传感器技术正在成为介于信息 技术与生物技术之间的新增长点，它是一门将生物活性材料技术与物理化学换能技术有 机结合而形成的前沿交叉学科，在临床诊断、工业控制、食品和药物分析、环境保护以 及生物技术、生物芯片等研究中有着广泛的应用前景 u - 1 3 。例如，在临床诊断中，生物 传感器可用于动态监测人体血压、体温、血液酸碱度、血氧含量、血液电解质及酶活性 等多项指标，从而有助于快速诊断和早期诊断1 1 4 ，l “。 本学位论文所研究的躯域无线传感器网络( w i r e l e s sb o d ys e n s o r n e t w o r k , w b s n ) ， 正是信息技术与生物技术相互交叉充分融合的体现，其核心技术涉及计算机技术、移动 通信技术、微电子技术以及生物传感器技术等领域 t 6 , 1 7 ，其产生与发展的源动力来自社 会对移动医疗服务的需求。 1 1 1移动医疗 1 1 1 1 我国对移动医疗的需求背景 我国人口占世界总人口的2 2 ，而医疗卫生资源却仅占世界的2 。据2 0 0 3 年卫生部 组织开展的第三次国家卫生服务调查结果显示，我国有4 8 9 的群众有病应就诊而不去 东南大学博士学位论文 就诊，有2 9 6 应住院而不住院【1 8 】。然而，医疗支出在人均年消费总支出中已攀升至到 1 1 8 。“看病难、看病贵”问题成为当前最突出的社会问题之一。与此同时，人口老 龄化和人口总量过多的双重压力还将加重“看病难”问题。预计至f 2 0 1 0 年，我国6 0 岁及 以上老年人口将达1 7 4 亿，约占总人口的1 2 7 8 ，其中，8 0 岁以上高龄老人将达至1 j 2 1 3 2 万，占老年人口总数的1 2 2 5 。然而，人口老龄化需要的护理和照料人员却严重不足。 另一方面，随着生活水平的提高和饮食结构的变化，慢性疾病已悄无声息地成为疾病致 死原因的首位。据最新资料显示，目前我国每年有3 0 0 万人死于心血管疾病，约占总死 亡人口的1 3 。根据世界卫生组织预测，至1 2 0 2 0 年，非传染性疾病将占我国死亡原因的 7 9 ，其中心血管疾病占据首位。 由此可见。当前的医疗服务市场急需扩大并分层细化，服务模式应从目前的以治疗 为主的医院集中模式逐步转变到以预防为主的医院、社区、家庭与个人相结合的综合医 疗模式。以低成本和广覆盖为核心目标，移动医疗系统应配置于所有可能发生医疗服务 过程的区域，包括各级医疗机构、家庭、选择性公共场所以及医疗急救交通工具等，实 现病患信息数字化和跨医院、跨地区的标准化医疗记录，推进分级医疗和双向转诊的机 制，形成大病进医院、小病去社区、康复和预防在家庭的格局。移动医疗系统与现有医 疗系统的最大区别是，以移动医疗为核心，真正实现预防、诊断、治疗等所有医疗环节 的高效性，并同时降低人力、财物和时间资源的消耗。 1 1 1 2 移动医疗的意义 移动医疗是融合生物医学传感技术、移动计算技术与网络互联技术的新兴医疗保健 领域 1 9 ，2 0 】它有助于降低病人的健康危害，提高病人就医舒适度，减少门诊检查和留院 观测的次数和时间，并加强药物检测的有效性。以移动医疗为主要手段而给出的低成本 医疗解决方案，在现阶段特别适用于患有慢性疾病或处于康复期的患者以及老年人群， 并在将来全面提高社会医疗水平。移动医疗有助于实现的医疗过程主要包括： 提供及时的医护干预 对特殊卫生状况的远程监护 对潜伏健康问题的早期诊断 消除检测结果的人为影响 1 1 1 3 移动医疗的系统构成 典型的移动医疗系统由如下实体构成：含有传感模块和通信模块的患者终端、本地 处理器、中央服务器、医护终端以及泛通信支架。其中，患者终端依附于体表或植入于 体内，具备采集生理数据或实施反馈医疗的功能；本地处理器一股为个人所有，也可为 群体共享，其主要功能是实现个体生理数据融合与分析处理，并作为中继器转发数据包 和控制包；中央服务器亦具备智能控制设计，其主要功能是记录患者个人和医疗信息， 分析处理患者生理数据，以及发送医护建议信息等；医护终端是医护人员对患者实现远 程监护的操作平台；泛通信支架是指可提供上述实体之间相互通信的装置。所述实体并 2 第一章绪论 不一定是必需的，其具体配置取决于特定的应用要求。例如，在家庭远程医疗应用中， 本地处理器可以是连接到因特网或程控交换网的家用电脑。对于户外监测，处于移动状 态的患者终端则可通过无线方式直接连接至中央处理器。 1 1 1 4 生物传感器 作为移动医疗系统中的患者终端，生物传感器一般具有生物信号检测与处理、信号 特征提取、数据传输等功能模块，其关键技术涉及多个学科，包括微型生物传感、微弱 生物医学信号检测与处理、生物系统的 建模与控制、生物微电子机械系统 ( b i o - m e m s ) 和无线数据传输等。例 如，r h c e 等研制的指环型传感器可由指 端检测到的光电容积描记信号 ( p h o t o p l o t h y s m o g r a p h y , p p g ) 估计血 氧饱和度和心率等生理参数，并采用射 频技术将这些数据传输至服务器【2 1 】。 w o n g 等研制的多参数监测系统也包含 有指环型传感器。如图1 1 所示，由指环 图1 1 含有指环型传感器的无线心率监测系统 检测到的光电容积描记信号被无线传 输至电子手表以便于计算和显示结果。 为增强实用性和使用舒适度，不少研究机构正积极研发可与织物融为一体的传感器 设计方案。例如，乔治亚理工学院( g e o r g i ai n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y ) 研制了一件将塑胶 光纤和其它光纤材料编织于织物上的电子衫 2 2 1 。该电子衫将位于不同人体位置的生物传 感器进行相互连接，其数据总线可将生物信号传送至电子衫上的控制器，然后由控制器 进行数据处理并采用无线方式将分析结果传送至目标服务器。随着新材料技术的进步， 采用电活化聚合物的电子织物还可以用作传感器和电源等部件，从而简化监测系统。 与穿戴式生物传感器相对应的，是可植入于体内的生物传感器，即植入式生物传感 器【2 3 1 。植入式生物传感器的应用需求相对较狭，主要用于化学检测和药物治疗。例如， 欧盟“h e a l t h ya i m s ”项目研发的特殊传感器应用包括助听应用( 耳蜗植入) 、视觉应 用( 视网膜植入) 、高位眼窝压检测( 绿内障传感器) 和颅内压检测( 植入式压力传感 器) 等【川。又如，m e d t r o n i c 研制的植入式心电记录器是一种完全植入式心血管监测仪， 可记录在昏晕、晕眩、心悸等突发情况时的心脏搏动速率与节掣“。 i i 2躯域无线传感器网络 随着移动技术和穿戴技术的不断发展，不久将来的人们将会随身携带功能多样的传 感器，以满足生活、工作、娱乐、健康等诸多方面的需求1 2 们。当人体附着多个穿戴式， 植入式生物传感器时，就需要在这些传感器之间实现网络互联，以补偿相当受限的传感 器软硬件资源、实现资源优化利用。此外，为适应个体生理状况和外部环境的变化，还 3 东南大学博士学位论文 需要对这些传感器进行整体控制与规划。例如，具有药物供给功能的传感器通常需要不 断更新工作程序。 1 1 2 i 躯域传感器网络的意义 躯域传感器网络( b o d ys e n s o rn e t w o r k ，b s n ) 将成为人体生理信息获取、分析与 处理的基本平台。作为传感器网络的一种，b s n 亦由通信终端和联网协议两大层面构成， 然而其具备有别于其它传感器网络的如下特征：b s n 的通信终端为穿戴于体表或植入于 体内的集通信、数据采集与处理等功能于一体的传感器，并且以可检测生理或生化参数 的生物传感器为主，辅以可测量环境温度、加速度等参数的非生物传感器：在传输媒介 层面，b s n 可采用以微波和激光等为媒介的无线传输，或以电缆、导电纤维以及人体组 织等为媒介的有线传输；在传输载体层面，b s n 可采用电信号、生物信号等作为传输载 体：b s n 的拓扑结构主要取决于其传输媒介，若采用人体组织作为传输媒介，其拓扑结 构可为复杂的网型多跳结构。若采用其它传输媒介，其拓扑结构可为网型和星型相结合 的混合结构，亦可简化为星型单跳结构。 基于传输媒介和载体的分类，b s n 的传输方式可大致分为以下四种：有线方式，即 采用电缆或电子织物来构建可穿式躯感网；无线方式，即采用短距离无线通信技术来构 建无线躯感网；入体方式，即直接利用人体传送电信号或生物电信号来实现人体化联网； 混合方式，即采用上述多种方式综合构建包含多个子网的b s n 。 1 1 2 2 躯域无线传感器网络的意义 为无线连接穿戴式和植入式传感器而构建的躯域无线传感器网络( w i r e l e s sb o d y s e n s o r n e t w o r k , w b s n ) ，因其无电缆束缚和组网灵活等特点，成为当前移动医疗系统 的研究热点之一。尤其对于植入式传感器而言，无线联网技术是其实现数据传输的首要 选择。 现有的短距离无线联网技术包括b l u e t o o h 、u w b ( u l t r a - w i d eb a n d ) 1 3 1 z i g b e e 等1 2 7 2 9 1 。 目前，b l u e t o o m 技术已应用于许多医疗电子产品中，包括穿戴式心电信号 ( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 监测器、光电血氧计和肺活量计等。但是，b l u e t o o t h 技术作 为一种线缆替代方案，主要增强了语音和数据传输，并不适用于拓扑灵活的网络应用。 与b l u e t o o t h 相比，z i g b e e 较为简单、传输速率较低、功率及费用也较低。此外，z i g b e e 可以比b l u e t o o t h 更好地支持消费电子、仪器和家庭自动化等应用。与b l u e t o o t h 和z i i g b e e 不同，u w b 是一种载波频带极宽的无线技术，其每秒传输比特可高达几百兆、甚至上 千兆。然而由于标准制定问题，u w b 技术的实际应用还有待时日。表1 1 给出了这三种 短距离无线技术的特性比较。由于w b s n 仅工作于人体范围，因此为尽可能降低通信能 耗，w b s n 终端的有效通信距离可限制在2 m 之内。显然，上述三种无线技术不完全符合 w b s n 的通信要求。 第一章绪论 表1 1 三种短距离无线技术的特性比较 1 1 2 3 结构示例 图1 2 给出了以w b s n 为基本组成单元的移动医疗系统结构示例。患者身上附着多个 生物传感器，每个传感器与微处理器、无线传输和电池等模块一起构成单个网络节点。 该w b s n 采用星型拓扑结构，由一个主节点和多个从节点构成，其中，主节点充当网络 中继器，实现w b s n 与居家、办公室和医院等环境的无缝连接。网络各节点可以精确捕 获人体信息并进行预处理，然后将数据无线传送至主节点。主节点接收到各从节点的数 据后，经进一步信号处理与数据融合，通过无线个域网( 如b l u e t o o t h 网络) 、无线局域 网( 如w i f i 网络) 或移动电话网络( 如3 g 网络) 将数据传送至远端的中央服务器，实 现诊疗数据的远程实时监控。 1 2 课题研究的意义 图1 2 基于w b s n 的移动医疗系统结构示例 当前w b s n 实验系统的研究重点主要集中于终端传感模块设计、系统集成以及应用 拓展等方面【3 5 1 ，其联网技术普遍采用现有的短距离无线通信技术。由f w b s n 终端( 尤 其是植入式终端) 的能量资源极其受限，因此应尽可能减少其无线通信能耗，以实现长 东南大学博士学位论文 期连续的生理参数监测。此外，w b s n 的射频功率还必须保证绝对的人体安全。因此， 在设计w b s n 系统之前必须进行完善的链路预算分析，其中，无线信道建模是不可或缺 的环节之一。由于人体对无线信道的影响，w b s n 的无线信道模型与一般短距离无线信 道模型有着显著差异。然而，现有少量的有关w b s n 信道特征的参考文献主要集中于 l r w b 领域 3 “0 1 ，对于2 4 5 2 5 7 g h z 等i s m 频段的w b s n 信道特征还有待于研究。 另一方面，由于w b s n 主要应用于移动医疗系统中，其传输数据多为患者生理信息 以及医疗控制信息，因此w b s n 系统的可靠性和安全性必须得到足够的保证【4 l 】。目前， 已有很多有关无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k , w s n ) 信息安全的研究成果， 包括密钥预分配机制【4 2 郴】、密钥更新机制晰，4 刀、以及加密方案 4 8 , 4 9 1 。然而，这些研究主 要针对大规模w s n ，并不适用于小规模、终端资源严重受限的w b s n 。与w s n 不同， w b s n ：e 作于人体范围，而人体具备自身的传输和通信系统，如图1 3 所示的血液循环系 统【如】。如何利用这种特殊的通信信道来提高w b s n 的安全性能是一个全新的研究方向。 一无线通信 人体通信 附着于人体的传感器 图1 3 人体通信与无线通信示意图 1 3 论文的研究内容和章节安排 本学位论文以系统有效性与可靠性为核心，着重研究w b s n 体表无线信道路径损 耗数学模型和时延特性、网间抗干扰机制以及网内信息安全解决方案。 路径损耗是无线信道建模的重要内容。论文将研究2 4 5 2 5 7 g h z 等i s m 频段的 w b s n 体表无线信道，建立路径损耗的数学模型。另一方面，时延特性是决定无线信道 质量的重要参数之一，研究w b s n 信道的时延特性将有助于优化接收天线设计，从而 提高系统性能和容量。 w b s n 的信息安全研究是论文的另一重要内容。为保护个人生理信息和医疗控制信 息，应用于移动医疗系统中的w b s n 必须具备防止偷听、注入和篡改等常见安全攻击 的能力。对于具备反馈治疗功能的w b s n ，某些攻击行为可能会危及使用者的生命安全， 6 第一章绪论 例如更改系统设置、药物剂量或治疗程序。另一方面，在某些环境下多个w b s n 之间 容易产生网间交叉通信，因此w b s n 还必须具备适当的抗网问干扰能力。 论文的主要章节安排如下： 第二章介绍论文研究的主要理论与技术基础，讨论论文相关内容的研究进展。 第三章研究w b s n 体表无线信道的数学建模，采用基于时域有限差分法的电磁仿 真工具x f d t d 建立三维多层人体仿真模型，首先分析地面反射对体表无线信道特性的 影响，然后针对当前短距离无线网络的2 4 g h z 、5 2 g h z 和5 7 g h z 等i s m 频段，在自 由空间环境下对w b s n 体表无线信道给出路径损耗的仿真数值并建立相应数学模型， 最后分析体表无线信道的时延特性，给出选定信道的首径时延。 第四章提出一种用于动态网络实体识别的基于时变生物特征的新型生物测定系统。 有别于现有的一般生物测定系统，新系统中进行相互匹配的生物特征必须是同步采集 的，因此不需要预先采集特征模板；适用的生物特征必须具备时变特性，并且从不同人 体部位检测到的生物特征必须具备高相似性。举例分析一种可应用于新型生物测定系统 的时变生物特征，即心脏搏动间隔。根据从心血管信号( 包括两种不同信号以及从不同 人体部位检测到的同种信号) 中提取的心脏搏动间隔，统计分析该时变生物特征的随机 性和同体相似性，并基于数据全集综合分析该时变生物特征的使用性能，即误接受率和 误拒绝率。此外，讨论动态个体识别码编码方案对系统性能的影响，并分析实施新型生 物测定系统所需增加的系统成本，包括存储量和计算复杂性等。 第五章首先提出基于时变生物信号的真随机数生成方法，对其生成序列的随机性能 给出实验数据验证结果，进行生成效率评估，并分析由同步同种生物信号作为输入而生 成的不同序列之间的相关性，给出实验数据计算结果；然后，以第四章的新型生物测定 系统为基础，给出可实现身份鉴别和访问控制的对等实体鉴别机制，采用b a n ( b u r r o w s ， a b a d ia n d n e e d h a m ) 类逻辑对其进行安全分析，并给出网内节点之间实施该鉴别机制而 发生失败事件的概率与网络节点总数之间的关系表达式；最后，提出基于新型生物测定 系统的适用于w b s n 的对称密钥加密系统，包括安全模型和密钥管理等，并对密钥管 理的抗攻击能力、空间和计算复杂性等进行评估。 第六章为全文总结，并对可以进一步研究的问题给出讨论。 7 第二章w b s n 信道模型和信息安全的理论基础及研究进展 第二章w b s n 信道模型和信息安全的理论基础及研究进展 本章主要讨论与本学位论文w b s n 信道模型和信息安全有关的基础理论、技术及 其研究进展。首先介绍无线信道模型基础( 包括自由空间传播模型、对数距离路径损耗 模型和链路预算