無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒介訪問(wèn)控制層協(xié)議及認(rèn)證機(jī)制研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)潛在的廣泛應(yīng)用前景，吸引了眾多研究者進(jìn)行研究，是目前一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源非常有限，且以采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信息為主要任務(wù)，如何節(jié)約通信能耗并保證采集數(shù)據(jù)的可靠性，是研究人員需要解決的重要問(wèn)題。媒介訪問(wèn)控制協(xié)議是節(jié)點(diǎn)通信的基礎(chǔ)，因此，直接研究媒介訪問(wèn)控制層的協(xié)議與數(shù)據(jù)認(rèn)證機(jī)制，從底層緩解無(wú)線沖突，并盡早去除冗余/虛假數(shù)據(jù)，對(duì)于降低網(wǎng)絡(luò)通信能耗并保證數(shù)據(jù)的可靠性，具有十分重要的意義。

2、 本文主要以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有限、節(jié)點(diǎn)分布密集、通信易失效等特性為基礎(chǔ)，著重研究具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特色的媒介訪問(wèn)控制層協(xié)議及數(shù)據(jù)認(rèn)證機(jī)制。主要工作和研究成果包括以下幾個(gè)方面： (1)本文針對(duì)傳感數(shù)據(jù)中存在的空間相關(guān)性，提出一種新的MAC協(xié)議，可以盡早去除冗余數(shù)據(jù)，減少進(jìn)入網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)量，從而降低系統(tǒng)能耗。該協(xié)議的基本思想是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中無(wú)線通信的廣播本質(zhì)，利用傳統(tǒng)MAC協(xié)議所忽略的串音數(shù)據(jù)在本地進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮。根據(jù)串音所接

3、收到的數(shù)據(jù)，事件檢測(cè)節(jié)點(diǎn)之間協(xié)同地對(duì)自身的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后再發(fā)送。首先對(duì)協(xié)同數(shù)據(jù)壓縮的一般性問(wèn)題進(jìn)行量化，建立網(wǎng)絡(luò)生存周期向量；然后對(duì)周期向量的最優(yōu)解進(jìn)行線性規(guī)劃建模；進(jìn)而提出一種近似最優(yōu)、更低復(fù)雜度(O(N2))的啟發(fā)式節(jié)點(diǎn)篩選算法。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種能量有效的，基于協(xié)同壓縮方法的MAC協(xié)議—CCP—MAC，可以分布式地控制節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)篩選算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CCP—MAC可以在很大程度上節(jié)約能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。 (2)本文提

4、出一種魯棒的數(shù)據(jù)認(rèn)證機(jī)制RAS，用于在MAC層盡早過(guò)濾虛假數(shù)據(jù)。RAS機(jī)制的基本思想是將每個(gè)合法事件均分成幾個(gè)較小的事件塊，節(jié)點(diǎn)利用動(dòng)態(tài)認(rèn)證令牌技術(shù)及所預(yù)置的密鑰對(duì)每個(gè)小事件塊進(jìn)行簽名；然后在過(guò)濾階段，傳輸路由上的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證所接收的數(shù)據(jù)報(bào)告的真實(shí)性，并丟棄虛假的數(shù)據(jù)報(bào)告。RAS認(rèn)證機(jī)制的主要特點(diǎn)是即使妥協(xié)節(jié)點(diǎn)擁有所有的簽名密鑰也無(wú)法偽造或篡改數(shù)據(jù)。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相同條件下，RAS具有更好的安全性與抗妥協(xié)性，能更早過(guò)濾虛假數(shù)據(jù)

5、報(bào)告，從而降低網(wǎng)絡(luò)能耗。 (3)基于低功耗的通信模塊和存儲(chǔ)/緩存—轉(zhuǎn)發(fā)思想，本文提出一種新的適合速率相對(duì)較低的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的異步通信架構(gòu)，允許單個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而無(wú)需收發(fā)節(jié)點(diǎn)間的同步睡眠/喚醒機(jī)制。該架構(gòu)允許發(fā)送節(jié)點(diǎn)直接向睡眠狀態(tài)節(jié)點(diǎn)上的特定低功耗模塊(PROUD)寫(xiě)入數(shù)據(jù)，從而使得節(jié)點(diǎn)保持一種存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)的異步工作模式。因此，無(wú)需進(jìn)行全局或本地的同步機(jī)制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)仍然可以正常工作，節(jié)省了時(shí)鐘同步的能耗。更重要的是，該架

6、構(gòu)利用傳統(tǒng)協(xié)議通常忽略的睡眠時(shí)間作為一種“額外”的網(wǎng)絡(luò)資源，可以減少?zèng)_突和無(wú)效信道偵聽(tīng)，獲取更好的能量有效性。在闡述異步通信架構(gòu)及低功耗接收模塊設(shè)計(jì)原理的基礎(chǔ)上，本文主要討論底層MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)，提出了兩種解決方案：協(xié)同式的隨機(jī)喚醒機(jī)制CRW和交錯(cuò)喚醒機(jī)制IWS，以滿足不同的應(yīng)用需求。 (4)本文利用排隊(duì)論對(duì)異步通信架構(gòu)下的MAC協(xié)議及基于同步喚醒/睡眠機(jī)制的傳統(tǒng)MAC進(jìn)行分析比較。首先基于擴(kuò)散近似理論為WSN建立開(kāi)放式GI/G

7、I/1—FCFS排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型，分別對(duì)異步MAC協(xié)議與傳統(tǒng)MAC的多種性能指標(biāo)進(jìn)行分析，包括最大采樣頻率/吞吐量、平均傳輸延時(shí)和傳輸能耗。GI/GI/1—FCFS排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型并不是針對(duì)理想的MAC協(xié)議，而是具體考慮了MAC協(xié)議中的多種性能影響因子。因此，GI/GI/1—FCFS排隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型能較精確地體現(xiàn)MAC協(xié)議的微觀特征。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，異步通信的高能量有效性、長(zhǎng)延時(shí)、高吞吐量特性適合于低速率、實(shí)時(shí)性要求比較低的應(yīng)用環(huán)境，可以很

8、大程度上延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 (5)基于開(kāi)源OMNET++框架，本文結(jié)合以上研究工作，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)異步通信環(huán)境的模擬平臺(tái)VWSN，并應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中，評(píng)估數(shù)據(jù)壓縮算法的性能。VWSN主要針對(duì)異步通信環(huán)境的特點(diǎn)，搭建從物理層至應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，在各個(gè)層之間提供通用接口，同時(shí)適合傳統(tǒng)同步無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。模擬平臺(tái)采取兩種方法：即虛擬節(jié)點(diǎn)機(jī)制與基于過(guò)濾正方形的干擾范圍計(jì)算算法，以提高可擴(kuò)展性與運(yùn)行效率。模擬實(shí)驗(yàn)與使用