Energy-efficient and high-accuracy secure data aggregation in wireless sensor networks

ABSTRACT

Due to the inherent characteristics of resource-constrained sensors, communication overhead is always a major concern in wireless sensor networks (WSNs). Data aggregation is an essential technique to reduce the communication overhead and prolong network lifetime. Since data aggregation results are usually used to make critical decisions, the accuracy of final aggregation results is very important. Furthermore, as wireless sensor networks are increasing being deployed in security-critical applications, we should take security into consideration as well. Therefore, for such applications, data aggregation protocols must be highly energy efficient and highly accurate while being able to prevent an adversary from stealing private data held by each sensor node. In this paper, we propose an energy-efficient and high-accuracy (EEHA) scheme for secure data aggregation. The main idea of our scheme is that accurate data aggregation is achieved without releasing private sensor readings and without introducing significant overhead on the battery-limited sensors. We conduct extensive simulations to evaluate the performance of EEHA. Our analysis and simulations show that EEHA is more efficient and accurate than the existing scheme.

INTRODUCTION

Wireless sensor networks are becoming increasingly popular in many applications such as military surveillance and civilian usage. A wireless sensor network is composed of hundreds or thousands of tiny resource- constrained sensors, equipped with nonrechargeable batteries. For such sensors, transmission is much more energy consuming than computation. Therefore, the amount of communication overhead should be kept as low as possible, in order to extend the lifetime of wireless sensor networks (WSNs). Large sensor networks usually generate substantial amounts of data, and as in many cases, there is high redundancy in their raw data. Hence, it is important to design efficient data processing technique to reduce redundant data and the amount of transmission. Data aggregation is an essential paradigm to eliminate data redundancy and save energy. During a typical data aggregation process, sensor nodes are organized into a tree hierarchy rooted at the base station (BS). The non-leaf nodes act as aggregators, fusing data collected from their child nodes and forwarding the aggregated results towards the BS. In this way, only aggregated data are returned to the base station, rather than the summation of the data generated in each node. Compared with the centralized approach where all raw data are returned, data aggregation can reduce communication overhead significantly and hence increase the lifetime of WSNs.

چکیده

با توجه به ویژگی های ذاتی سنسورهای محدوده منابع، سربار ارتباطات همیشه یک نگرانی عمده در شبکه های حسگر بی سیم (WSN ها) است. تجمیع داده ها یک روش ضروری برای کاهش سربار ارتباطات و طول عمر شبکه طولانی است. از آنجاییکه نتایج جمعآوری دادهها معمولا برای تصمیمگیریهای حیاتی استفاده میشود، صحت نتایج تجمع نهایی بسیار مهم است. علاوه بر این، به دلیل اینکه شبکه های حسگر بی سیم در حال گسترش در برنامه های امنیتی بحرانی هستند، ما باید امنیت را نیز در نظر بگیریم. بنابراین، برای چنین برنامه هایی، پروتکل های تجمیع داده باید بسیار انرژی کارآمد و بسیار دقیق در حالی که قادر به جلوگیری از دشمن از سرقت اطلاعات خصوصی نگه داشته شده توسط هر گره حسگر. در این مقاله، ما یک طرح انرژی کارآمد و با دقت بالا (EEHA) برای جمع آوری اطلاعات امن پیشنهاد می دهیم. ایده اصلی طرح ما این است که جمعآوری دقیق دادهها بدون آزاد شدن خواندن سنسورهای خصوصی انجام میگیرد و بدون اشاره به سربارهای قابل توجه در سنسورهای باتری محدود نمی شود. برای ارزیابی عملکرد EEHA، شبیه سازی های گسترده ای انجام می دهیم. تجزیه و تحلیل و شبیه سازی ما نشان می دهد که EEHA کارایی و دقیق تر از طرح موجود است.

مقدمه

شبکه های حسگر بی سیم در بسیاری از برنامه های کاربردی نظیر نظارت نظامی و استفاده غیر نظامی محبوبیت بیشتری پیدا می کنند. یک شبکه حسگر بی سیم شامل صدها یا هزاران سنسور محدود با محدودیت منابع است که دارای باتری های قابل شارژ است. برای چنین سنسورها، انتقال انرژی بسیار بیشتر از محاسبه است. بنابراین، هزینه سربار ارتباطات باید حداقل ممکن باشد، به منظور گسترش طول عمر شبکه های حسگر بی سیم (WSN ها). شبکه های حسگر بزرگ معمولا مقادیر قابل توجهی از داده ها را تولید می کنند، و همانطور که در بسیاری موارد، داده های خام خود را از کار می اندازند. از این رو، طراحی شیوه کارآیی داده ها برای کاهش داده های بیش از حد و میزان انتقال مهم است. تجمیع داده ها یک الگوریتم ضروری برای از بین بردن افزونگی داده ها و صرفه جویی در انرژی است. در طول فرایند تجمعی داده ها، گره های حسگر به یک سلسله مراتب درختی ریشه در ایستگاه پایه (BS) سازماندهی می شوند. گره های غیر برگ مانند aggregators عمل می کنند، داده های جمع آوری شده از گره های فرزند خود را جمع می کنند و نتایج به دست آمده را به BS می فرستند. به این ترتیب، تنها داده های جمع شده به ایستگاه پایه به جای جمع آوری داده ها در هر گره باز می گردند. در مقایسه با رویکرد متمرکز که تمام داده های خام را باز می گرداند، جمع آوری داده ها می تواند هزینه های ارتباطی را به طور قابل توجهی کاهش دهد و از این رو طول عمر WSN ها را افزایش می دهد.

Year: 2011

Publisher : ELSEVIER

By : Hongjuan Li, Kai Lin, Keqiu Li