無線傳感器網(wǎng)絡的若干關鍵技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術的多學科、多技術相互滲透融合的科學產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡的固有特點和體系結(jié)構(gòu)使其在軍事、環(huán)境科學、智能家居、醫(yī)療健康、空間探索和其它商業(yè)領域有著廣泛應用。目前無線傳感器網(wǎng)絡拓撲管理、網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡安全、定位技術和數(shù)據(jù)融合技術等成為該領域的關鍵技術和研究熱點。本文在總結(jié)現(xiàn)有技術和研究的基礎上,對無線傳感器網(wǎng)絡的若干關鍵技術問題進行如下研究工作:
　　 基于無線傳

2、感器網(wǎng)絡流量的統(tǒng)計特性,本文提出無線傳感器網(wǎng)絡異構(gòu)業(yè)務量統(tǒng)計模型。在ON/OFF模型的基礎上,首先指出無線傳感器網(wǎng)絡自相似業(yè)務量疊加過程不總是呈現(xiàn)統(tǒng)計長相關:其次對由ON/OFF模型建模的不同流量的統(tǒng)計特性在不同環(huán)境下進行分析,理論證明即使有部分流量的統(tǒng)計特性是短相關性,合并之后的異構(gòu)流量的統(tǒng)計特性仍然呈長相關性,最后提出無線傳感器網(wǎng)絡異構(gòu)業(yè)務量的結(jié)構(gòu)化統(tǒng)計模型,此模型可以直觀表明聚合之后的業(yè)務量的分形程度并不是參與合并的不同業(yè)務量分形

3、程度的疊加,而是由具有最大分形程度的業(yè)務量來決定。數(shù)值分析驗證此數(shù)學模型的有效性。
　　 分析無線傳感器網(wǎng)絡典型的MAC協(xié)議SMAC協(xié)議的不足之處,針對無線傳感器網(wǎng)絡能源有限的特點,本文提出AMPMAC協(xié)議。在真實的網(wǎng)絡環(huán)境里,網(wǎng)絡流量隨著無線信道接收性能的改變而改變,因此MAC協(xié)議的設計必須考慮網(wǎng)絡流量的變化。AMPMAC協(xié)議修改SMAC的消息傳遞機制,它能夠根據(jù)網(wǎng)絡流量的變化自適應的調(diào)整發(fā)送消息中數(shù)據(jù)分段的大小,從而節(jié)省了整

4、個網(wǎng)絡消耗的能量。仿真結(jié)果表明該協(xié)議的有效性。
　　 從天線角度出發(fā),提出MODMAC協(xié)議設計方案以達到節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡能量的目的。大多數(shù)MAC協(xié)議都是利用全向天線來收發(fā)數(shù)據(jù),但實際上全向天線從各個方向發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時候產(chǎn)生的能量都是相同的,而定向天線則可以實現(xiàn)某一個方向上的傳輸,那么使用全向天線對無線傳感器網(wǎng)絡無疑是浪費了更多的能量。因此,本文從天線耗能角度出發(fā),引入定向天線到無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議的設計,并提出MODM

5、AC協(xié)議,它聯(lián)合了全向天線和定向天線的優(yōu)勢,不僅可以使得網(wǎng)絡節(jié)點朝著既定的方向發(fā)送和接收數(shù)據(jù),從而避免了其它方向上能量的耗損,還可以簡化路由,進一步提高無線傳感器網(wǎng)絡的能量效率。
　　 基于雙線性配對,本文提出一個適用于無線傳感器網(wǎng)絡的門限簽名方案,并在假設計算Diffe-Hellman問題困難的前提下,利用規(guī)約到矛盾的方法給出在隨機預言機模型下的安全性證明。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡相比,無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點隨時可能失效,同時新舊節(jié)點的加

6、入非常頻繁,而且無線傳感器網(wǎng)絡在存儲空間、移動性、計算能力和能量等方面限制,因此在需要采用認證、簽名等安全技術時,本文所提的門限方案更加適合無線傳感器網(wǎng)絡。此外,本文所提方案還具有以下特點:第一,滿足群合作的條件下應該具備的魯棒性,可以在合作生成簽名的過程中檢測群內(nèi)所有節(jié)點是否運行錯誤的行為和步驟,同時可以防御一些惡意的節(jié)點對整個群造成的影響；第二,可以進行多簽,即群內(nèi)的所有節(jié)點可以自由選擇自己需要發(fā)布的消息,在簽名中可以一次性對所有的

7、消息進行簽名；最后,滿足分布式并行計算要求,所有參與簽名節(jié)點可以并行的計算自己的部分簽名,然后將部分簽名組合成為門限簽名。
　　 本文提出一個適用于無線傳感器網(wǎng)絡的基于身份的簽名方案,并在此方案的基礎上構(gòu)建基于身份的環(huán)簽名方案。本文所提的簽名方案可以解決基于身份的密碼系統(tǒng)的某些固有的缺陷一密鑰托管問題。在假設計算Diffie-Hellman問題不可解的前提下,本文使用隨機預言機模型證明所提環(huán)簽名方案可以抵御自適應選擇消息攻擊和身

8、份攻擊。傳統(tǒng)的公鑰密碼體系需要驗證、傳輸、存儲公鑰證書,不適用于計算、通訊帶寬、存儲空間等資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡。基于身份的密碼體系將身份消息作為公鑰,大大減少公鑰認證的計算量和復雜性,因此非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡。但是基于身份的密碼體系中固有的密鑰托管問題,會使得一個不誠實的PKG偽造用戶的簽名,從而導致即使PKG是誠實的情況下,用戶會對自己的簽名進行抵賴。在所提簽名方案中,PKG不再作為一個可信的第三方。最后效率分析表明本文所提方