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无线传感器网络若干关键技术研究

蔺智挺  
【摘要】: 无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。它把逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,从而改变人类与自然界的交互方式。它不需要固定网络的支持,具有快速展开,抗毁性强等特点,因此被认为是21世纪最重要的技术之一。 随着我国经济的发展,无线传感器网络在物资管理,社区安全,交通管理,农业灾害等方面将有非常广泛的应用。由于网络节点数量巨大,运行环境相对恶劣,因而具有不同于普通网络的特征,需要有针对性地进行研究。本文主要从四个方面入手,综合解决传感器网络面临的挑战。 1、节能路由协议 首先,本文提出了一种节能动态树型结构。在此结构中,节点周期轮换当选为组长,网络中的大部分节点只与附近的节点通信,节点动态地选择路由,不需要遵循固定路径传输,因而可以平衡节点间能耗,延长网络生命期。此外,对于一个组员节点来说,当多个父节点中的某个父节点失效,或者与该父节点之间的无线信道条件恶化时,仍可以进行路径的自修复。 2、覆盖问题 覆盖问题是无线传感器网络配置面临的基本问题,在一定程度上决定了网络的监测质量。首先,本文对可控探测区域,提出了一种高效放置方法,其目的是使传感器的数目最优化。同时,本文从实际应用出发,提出了一种新的覆盖模型,考虑了实际应用中传感器感知范围的有限性,提高了模型准确性,并通过仿真验证了其可行性。对非可控探测区域,本文讨论了在传感器感知模型非圆时,覆盖与连通性之间的联系,并提出实用性更广的覆盖策略WPCS(Well-ProportionedCoverage Strategy)。WPCS以最小化重叠面积为准则,均衡节点间能耗,延长网络的生存时间。仿真实验表明,WPCS具有一般性,并能很好地减少工作传感器数目,延长网络寿命。 3、高动态拓扑问题 不断普及的具有无线网络接口的设备,给高动态拓扑传感器网络的发展提供了机会。在这种网络中,节点通常由人携带,因此这些节点的运动必然基于人类社会化的行为。这样就使节点引入社会特性,形成一种全新的网络,无线社会网络。此网络具有时延容忍特性。本文从Clustering Coefficient,Characteristic PathLength,Community Size,Membership Number分析社会网络与无线社会网络的异同。根据节点的社会群体特性,利用社会网络理论,提出一种基于α模型的无线社会网络节点运动模型。并设计一种全新的通用策略E-Scheme以改善大多数基于概率转发的路由策略。 4、安全问题 无线传感器网络容易受到各种安全威胁和攻击。一旦节点被捕获乃至被窜改程序,节点可能叛变、妥协,从而发动内部攻击。在分层结构中,节点将探测数据汇聚到组长节点,利用层次化的网络结构压缩融合数据。因此组长节点一旦被俘,敌方攻击者能注入大量错误数据,严重影响网络的运行安全。本文针对无线传感器网络引入的安全问题,从协议方面,提出了一种基于对称加密体系,限制妥协节点攻击的安全策略STACH(Security Tactic with Auxiliary Cluster Head)。STACH有效的限制了妥协节点的内部攻击,能够阻止攻击者窃听及注入错误信息。STACH增添辅助节点,监视CH(Cluster Head),防范CH发动内部攻击。另外本文从硬件方面,讨论如何通过硬件设计强化传感器网络安全性能。 本文的主要工作与创新点: 1)提出一种节能的动态树型结构。在此结构中,节点不需要遵循固定传输路径,动态地选择路由并进行路径的自修复,因而可以平衡节点间能耗,延长网络生命期。 2)对第一类覆盖问题,本文提出了一种新的无线传感器网络模型,并基于此模型设计高效的放置的算法,使传感器的数目最优化。对第二类覆盖问题,本文提出了适用性广的覆盖策略解决传感器感知模型非圆等实际情况。 3)利用Clustering Coefficient,Characteristic Path Length,Community Size,Membership Number等参数分析社会网络与无线社会网络的异同。在此基础上,根据节点的社会群体特性,利用社会网络理论,提出一种基于α模型的高动态拓扑传感器网络节点运动模型。并设计一种全新的通用策略E-Scheme以改善大多数基于概率转发的路由策略。 4)提出了一种基于对称加密体系的安全策略STACH。通过增添辅助节点,监视CH,防范CH妥协后发动内部攻击。 5)搭建传感器网络硬件实验平台,并利用Ns2,Matlab等仿真工具验证上述算法有效性。


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