异构无线传感器网络中基于协作验证的传感器数据完整性保障方法

《IEICE Transactions on Communications》：Collaborative sensor data validation method for heterogeneous wireless sensor networks

本文针对智能城市中无线传感器网络因通信开放性易受数据篡改攻击的问题，提出一种基于蓝牙低功耗（BLE）的跨网络协作验证方法。通过动态多协议切换技术，使不同协议（如Thread、ZigBee）的相邻节点能够临时组建临时网络，利用自编码器等轻量级机器学习模型进行数据完整性验证。实验表明，该方法在保持低能耗的同时，对随机噪声、模式模拟和重放攻击的检测率均超过85%，为资源受限的物联网设备提供了可行的安全解决方案。

　　

随着智能城市概念的快速发展，物联网（IoT）系统已成为提升城市管理效率和居民生活质量的核心基础设施。无线传感器网络（WSN）作为物联网的数据采集层，广泛部署于城市各个角落，用于监测环境参数、交通流量、能源消耗等关键信息。然而，无线通信的开放性使传感器网络面临严重的安全威胁，特别是数据篡改和窃听攻击，可能直接影响智能城市系统的可靠性和决策准确性。

现有研究多采用时间序列分析或功耗趋势监测来识别异常，但攻击者通过模拟真实数据模式可轻易绕过这类检测。更棘手的是，智能城市中常存在多个由不同机构运营的异构传感器网络（如分别采用ZigBee、Thread协议），这些网络通常独立运行，即使物理位置相邻的节点也无法利用彼此的数据进行交叉验证。另一方面，尽管多数传感器设备仍仅支持单一通信协议，但硬件技术的发展已使多协议微控制器（如nRF52840）逐步普及，为跨协议协作提供了可能。

针对上述挑战，张浩婷与山本浩史在《IEICE Transactions on Communications》上发表的研究提出了一种创新的传感器数据验证方法。该方法基于一个核心假设：物理位置邻近的传感器节点应生成相似的观测数据。通过动态多协议切换技术，不同网络的节点可临时切换至公共协议（如BLE），组建临时网络进行数据交换和轻量级机器学习验证，从而在不改变现有基础设施的前提下实现数据完整性保障。

研究团队通过集成动态多协议通信调度、自编码器（Autoencoder）异常检测和能量感知模式切换三大关键技术，构建了一套完整的验证系统。动态多协议方法允许节点在维持主网络（如Thread）连接的同时，间歇性启用BLE进行跨网络数据交换，避免了静态协议切换带来的毫秒级延迟。自编码器模型在网关节点的辅助下完成训练后，仅需约1198毫秒即可在微控制器上完成数据异常判断。能量管理方面，通过电容电压阈值控制和太阳能采集优化，确保1F电容可支持完整的验证与通信周期。

实验评估从多个维度验证了系统的可行性。在通信性能方面，当BLE广告间隔设置为50毫秒时，Thread网络的通信可用时间占比仍达89%，数据包接收成功率超过80%。能耗测试表明，动态多协议方法虽导致电容电压从4.25V降至3.35V，但仍高于微控制器工作阈值（3V）。异常检测实验中，系统对三类攻击的检测表现显著优于单节点检测方案：针对±5°C随机噪声攻击（A1），检测率达96.2%；对模拟真实趋势的渐变攻击（A2）和重放攻击（A3），检测率分别达到88.7%和85.7%，且误报率均低于5%。

在节点选择可靠性方面，研究团队通过接收信号强度指示（RSSI）稳定性实验发现，对100个BLE广告包取平均值可使RSSI波动控制在±1dB以内。当相邻节点距离差≥2米时，基于RSSI的最近节点识别准确率超过88%，为跨网络数据配对标定提供了理论依据。

该研究的核心结论在于证实了异构传感器网络协作验证的实用价值。通过轻量级技术组合，系统在资源受限设备上实现了接近90%的篡改检测率，且未对主网络通信造成显著干扰。此外，该方法与能量采集技术的深度融合（如基于电容充电状态动态调整验证时机），进一步延长了节点在无外部供电环境下的使用寿命。

讨论部分指出，当前系统仍存在两方面待优化问题：一是多节点并发验证时的媒体访问控制（MAC）机制尚未完善，可能引起BLE信道冲突；二是数据交换过程缺乏加密和身份认证，存在被恶意节点冒充的风险。作者建议未来通过轻量级加密算法和多数表决机制增强系统的安全性和鲁棒性。

这项研究为智能城市中的物联网安全提供了一种新颖的解决思路：通过利用现有异构网络的物理邻近性，以最低成本实现数据可靠性验证。其技术路径不仅适用于环境监测场景，还可扩展至智能医疗、工业物联网等领域，为构建安全、可持续的万物互联生态系统提供了重要参考。