無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中跨層設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著硬件和無線技術(shù)的研究進(jìn)展，諸如嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）、通信技術(shù)、分布式信息處理以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，使得低成本、低功耗、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點(diǎn)得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。這種由具有通信、計(jì)算以及信息處理而無需基礎(chǔ)設(shè)施的傳感器節(jié)點(diǎn)形成的網(wǎng)絡(luò)被稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)被用來從物理世界收集數(shù)據(jù)。它們感知物理世界，在網(wǎng)內(nèi)處理這些數(shù)據(jù)，然后使用無線多跳的方式與基站進(jìn)行通信

2、。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)具有重大影響，這些應(yīng)用范圍從軍事到科學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)重新界定了我們的生活和工作的社會(huì)方式。
　　 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大型網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所部署的節(jié)點(diǎn)數(shù)可以從成百上千個(gè)到成千上萬個(gè)不等，這些傳感器通常是由電池供電，節(jié)點(diǎn)的可靠性較低，節(jié)點(diǎn)資源有限，信道的容量隨著網(wǎng)絡(luò)的控制參數(shù)、環(huán)境不斷發(fā)生變化，造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧?，傳統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)不能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要。不同協(xié)議棧層之

3、間交互以及信息共享的跨層設(shè)計(jì)技術(shù)，可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能以及資源的利用率，降低分層協(xié)議相關(guān)的開銷，提高效率。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，使用跨層設(shè)計(jì)技術(shù)，在能量效率、服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)安全等方面進(jìn)行了探索和研究。主要的工作如下:
　　 1.對WSNs引入跨層設(shè)計(jì)的原因進(jìn)行分析，對WSNs跨層設(shè)計(jì)使用的常用理論方法和技術(shù)等進(jìn)行歸納總結(jié)，給出了WSNs跨層設(shè)計(jì)的概念，分析了WSNs跨層設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)與益處，并將WSNs跨層設(shè)

4、計(jì)分為兩大類，即全新抽象設(shè)計(jì)方法和兼容跨層設(shè)計(jì)方法，并對它們進(jìn)行了分析和比較。
　　 2.為了滿足WSNs應(yīng)用的QoS需求，以及資源受限的節(jié)點(diǎn)能夠充分利用所得到的資源，提出了基于尺度的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同中繼跨層QoS路由解決方案。為該方案建立了網(wǎng)絡(luò)模型、路由模型以及能量消耗模型，提出了優(yōu)化的MAC方法和MCRICQR算法。節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)對時(shí)延敏感性的不同，接入信道以及使用信道的方法也不相同，使用基于定時(shí)器的MAC方法，來解決節(jié)點(diǎn)

5、使用介質(zhì)問題;節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)延敏感性、能量、信道、擁塞以及與匯點(diǎn)的距離等綜合因素形成一個(gè)選擇度量，度量最大的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己所處狀態(tài)自主選擇直接轉(zhuǎn)發(fā)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)以及躍進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，即節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層以及物理層等多層參數(shù)來選擇NHF、RFN以及LPF，降低數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臅r(shí)延，提高可靠性，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。該算法具有較好的魯棒性和自適應(yīng)性。
　　 3.針對WSNs節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，分布范圍廣以及動(dòng)態(tài)的拓?fù)涞忍?/p>

6、性，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能量高效，提出了跨層自適應(yīng)周期分簇路由模型(CACR)。該模型由兩部分構(gòu)成:(1)使用跨層自適應(yīng)簇首選舉算法，選舉出簇首;(2)在簇首將數(shù)據(jù)包傳送給匯點(diǎn)時(shí)，使用跨層簇間路由模型算法。為了實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)和簇間通信時(shí)選擇最佳能量效率節(jié)點(diǎn)，以上算法考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量、能量消耗因子、RSSI以及距離能耗指標(biāo)，依據(jù)剩余能量動(dòng)態(tài)調(diào)整簇首工作周期，均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量;在數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)，將物理層的功率調(diào)整到最適合的水平，從而提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量效率，

7、延長網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 4.針對WSNs網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)易受安全攻擊的特性，若只考慮單一層次的安全方案對WSNs而言存在諸多局限性的問題，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)跨層安全框架。該安全框架由能量高效的跨層安全框架和基于簇的安全密鑰管理(CSK)方案組成。并對所提出的跨層安全框架在能量效率、探測和抵御DoS攻擊、源真實(shí)性和數(shù)據(jù)驗(yàn)證等方面進(jìn)行分析。將所提出的WSNs跨層安全框架在WBSNs網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用進(jìn)行仿真。為了實(shí)現(xiàn)所提出的安全方案，提出了3