無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道通信技術(shù)的研究.pdf

1、隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)測控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、高效農(nóng)業(yè)和智能建筑等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信性能的要求也不斷提高。多信道通信技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和吞吐量，解決由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)眾多而引起的通信競爭，以及由于通信信道受干擾而造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓等問題。但是多信道通信技術(shù)的應(yīng)用，也對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，如何有效地利用現(xiàn)有的多個(gè)信道，如何擴(kuò)展已有的信道資源都是需要解決的問題。多信道通信在提高網(wǎng)絡(luò)通信能力的同時(shí)，也帶來了一

2、些新的問題，由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)分散在不同信道，使得在單信道下容易實(shí)現(xiàn)的廣播問題變得困難。另外，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)的安全問題也日益引起人們的重視，目前的安全研究主要集中在通信協(xié)議，密鑰分配和管理等方面，對(duì)于時(shí)間同步協(xié)議安全的研究較少。時(shí)間同步是多信道通信穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種與時(shí)間相關(guān)應(yīng)用的前提條件，因此，一個(gè)安全的時(shí)間同步協(xié)議是實(shí)現(xiàn)多信道通信的基礎(chǔ)。
　　本文對(duì)多信道通信涉及到的多信道MAC協(xié)議，多

3、信道頻譜感知，多信道廣播和時(shí)間同步的安全問題進(jìn)行了研究。主要進(jìn)行了如下工作:
　　首先，對(duì)多信道通信的應(yīng)用背景進(jìn)行了分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式形成的一種多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)。相比于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織，多跳通信和以數(shù)據(jù)為中心等特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，節(jié)點(diǎn)之間的通信競爭嚴(yán)重。因此，傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議并不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要研究專門的通信協(xié)議。同時(shí)，無

4、線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受成本和體積的限制，其計(jì)算能力，存儲(chǔ)能力和通信能力都很弱，決定了節(jié)點(diǎn)不能運(yùn)行復(fù)雜的程序，并且無線通信的可靠性較低。最重要的一點(diǎn)是，節(jié)點(diǎn)依靠電池供電，能源受限，而無線通信是節(jié)點(diǎn)主要的能量消耗方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以上特點(diǎn)，對(duì)通信技術(shù)的可靠性，復(fù)雜性和能量效率都提出了極高的要求。
　　多信道通信在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用多個(gè)信道進(jìn)行信息傳輸，避免了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)眾多節(jié)點(diǎn)聚集在單一信道上而引起的通信競爭嚴(yán)重的現(xiàn)象。節(jié)點(diǎn)可以使用多個(gè)信

5、道同時(shí)進(jìn)行通信，也避免了節(jié)點(diǎn)間的相互干擾，使得一跳內(nèi)的多對(duì)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)進(jìn)行信息交換，而不會(huì)引起相互干擾，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)信道可以使用，也避免了單信道情況下，由于所用信道受到干擾而造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的危險(xiǎn)。多信道通信有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是也增加了通信協(xié)議的復(fù)雜性。多個(gè)信道資源如何在眾多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行分配，處于不同信道上的節(jié)點(diǎn)如何相互通信，如何減少通信協(xié)議的控制開銷等問題都需要解決，另外，多信道引起的無線廣播無法實(shí)現(xiàn)問題，以及如

6、何避免使用受干擾信道，如何對(duì)授權(quán)信道進(jìn)行機(jī)會(huì)接入等問題，都是多信道通信技術(shù)需要研究的。
　　本文對(duì)已有的多信道通信MAC協(xié)議進(jìn)行了研究。以McMAC為代表的并行協(xié)商類多信道MAC協(xié)議具有分布式控制，控制開銷少和不依賴于控制信道等特點(diǎn)。并行協(xié)商類多信道通信中，節(jié)點(diǎn)按照自己的默認(rèn)序列在多個(gè)信道上進(jìn)行切換，不需要管理節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道分配，分布式控制方式提高了協(xié)議的可靠性和可擴(kuò)展性。節(jié)點(diǎn)的信道切換序列通過偽隨機(jī)序列產(chǎn)生，節(jié)點(diǎn)可以通過本地計(jì)算得

7、到對(duì)方節(jié)點(diǎn)所處的信道，減少了控制信息的交換。并行協(xié)商類多信道通信不依賴于控制信道，避免了眾多節(jié)點(diǎn)在控制信道上競爭而造成的擁塞，以及控制信道受干擾而造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信的崩潰。但是，傳統(tǒng)的并行協(xié)商類多信道通信，還存在消失節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間通信競爭不公平等問題。本文在原有協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于隨機(jī)時(shí)間片的并行協(xié)商多信道MAC協(xié)議—RTMAC協(xié)議。該協(xié)議引入時(shí)間片機(jī)制，節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)的某個(gè)時(shí)間片上蘇醒，進(jìn)行信息接收，而在其余時(shí)間片上休眠。節(jié)點(diǎn)

8、蘇醒周期的選擇按照偽隨機(jī)序列的方式進(jìn)行。偽隨機(jī)時(shí)間片的應(yīng)用，不但可以讓節(jié)點(diǎn)能夠定時(shí)休眠，減少能量消耗，而且解決了消失節(jié)點(diǎn)問題，減少了通信失敗的概率，同時(shí)也保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)具有平等的通信競爭權(quán)利。仿真實(shí)驗(yàn)證明，RTMAC協(xié)議具有良好的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量利用率。
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與無線局域網(wǎng)的無線信道存在重疊，當(dāng)二者處于同一環(huán)境中時(shí)，不可避免的造成相互干擾，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源受限性，其在競爭中處于劣勢地位，如何避免使用受干擾的信

9、道，是多信道通信在實(shí)際應(yīng)用中面臨的現(xiàn)實(shí)問題。在無線信道資源緊張的條件下，有效地?cái)U(kuò)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可利用的信道資源，是多信道通信進(jìn)一步發(fā)展的方向，無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為多信道通信的發(fā)展開辟了新的道路，但是其關(guān)鍵問題是如何有效地進(jìn)行頻譜感知。有效地頻譜感知不但是無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前提，也是避免使用受干擾信道的需要，但是傳統(tǒng)的來源于認(rèn)知無線電領(lǐng)域的頻譜感知技術(shù)，因其復(fù)雜性較高，并不適應(yīng)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。本文基于有限維隨機(jī)矩陣?yán)?/p>

10、論，提出一種簡單可靠的協(xié)作頻譜感知算法。該算法利用準(zhǔn)確，簡潔的隨機(jī)矩陣的DCN表達(dá)式，進(jìn)行檢測閾值的計(jì)算。仿真結(jié)果表明，該算法相比于漸進(jìn)式的檢測方案，具有需要檢測數(shù)據(jù)少，檢測性能可靠等優(yōu)勢，本方法為多信道頻譜感知在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，提供了一種可行的方案。
　　多信道在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信能力的同時(shí)，也引起了一些單信道中不存在的問題。在單信道環(huán)境中，利用無線電波的廣播特性，節(jié)點(diǎn)通過廣播的形式，可以很方便地向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。

11、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的很多應(yīng)用，以及路由協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，都依賴于廣播功能。但是在多信道環(huán)境中，鄰居節(jié)點(diǎn)分布于不同的信道，節(jié)點(diǎn)在某個(gè)信道上發(fā)送的廣播包，處于其他信道上的節(jié)點(diǎn)無法接收到，而且休眠機(jī)制的加入，使得節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻蘇醒，也增加了廣播實(shí)現(xiàn)的難度。因此如何在多信道環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)廣播功能是多信道通信必須要解決的問題。本文設(shè)計(jì)了一種基于分布式廣播樹的廣播協(xié)議—DTB協(xié)議。廣播包的發(fā)起節(jié)點(diǎn)，采用發(fā)送廣播訓(xùn)練包的方式建立指數(shù)型廣播樹，當(dāng)其發(fā)起廣播時(shí)，廣

12、播包按照樹型路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。指數(shù)型廣播樹的建立，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都能接收到廣播包，同時(shí)也避免了廣播包的冗余發(fā)送。仿真實(shí)驗(yàn)表明，DTB協(xié)議具有廣播路徑建立快，廣播包覆蓋性好，廣播延遲小等優(yōu)點(diǎn)。
　　隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域的日趨廣泛，其安全性也越來越受到重視。時(shí)間同步協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)眾多與時(shí)間有關(guān)應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議運(yùn)行的前提。多信道通信時(shí)間片的劃分，節(jié)點(diǎn)信道切換時(shí)間的估計(jì)，都需要可靠的時(shí)間同步。但是已有的時(shí)間同步協(xié)議

13、大都關(guān)注于如何提高時(shí)間同步的精度，而在安全性方面缺乏措施，因此傳統(tǒng)的時(shí)間同步協(xié)議存在諸多的安全問題，容易受到攻擊而影響其時(shí)間同步的精度。本文從安全角度對(duì)已有的時(shí)間同步協(xié)議進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了一種具有容錯(cuò)能力的時(shí)間同步協(xié)議—FTTSP協(xié)議。該協(xié)議具有入侵檢測機(jī)制，能夠?qū)阂夤?jié)點(diǎn)針對(duì)時(shí)間同步發(fā)起的攻擊進(jìn)行檢測。對(duì)于偏差較小的緩慢攻擊，以及時(shí)間同步中存在的發(fā)送時(shí)間誤差，能夠基于信息融合的原理，根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步信息的質(zhì)量，采用隨機(jī)加權(quán)平均的