無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)的多學(xué)科、多技術(shù)相互滲透融合的科學(xué)產(chǎn)物。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的固有特點(diǎn)和體系結(jié)構(gòu)使其在軍事、環(huán)境科學(xué)、智能家居、醫(yī)療健康、空間探索和其它商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全、定位技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點(diǎn)。本文在總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)和研究的基礎(chǔ)上,對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行如下研究工作:
　　 基于無線傳

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

3、程度的疊加,而是由具有最大分形程度的業(yè)務(wù)量來決定。數(shù)值分析驗(yàn)證此數(shù)學(xué)模型的有效性。
　　 分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的MAC協(xié)議SMAC協(xié)議的不足之處,針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能源有限的特點(diǎn),本文提出AMPMAC協(xié)議。在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里,網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)必須考慮網(wǎng)絡(luò)流量的變化。AMPMAC協(xié)議修改SMAC的消息傳遞機(jī)制,它能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量的變化自適應(yīng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)方案以達(dá)到節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shí)際上全向天線從各個(gè)方向發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)候產(chǎn)生的能量都是相同的,而定向天線則可以實(shí)現(xiàn)某一個(gè)方向上的傳輸,那么使用全向天線對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無疑是浪費(fèi)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(luò)MAC協(xié)議的設(shè)計(jì),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(shì),不僅可以使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)化路由,進(jìn)一步提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量效率。
　　 基于雙線性配對(duì),本文提出一個(gè)適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的門限簽名方案,并在假設(shè)計(jì)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(jī)預(yù)言機(jī)模型下的安全性證明。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能失效,同時(shí)新舊節(jié)點(diǎn)的加

6、入非常頻繁,而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在存儲(chǔ)空間、移動(dòng)性、計(jì)算能力和能量等方面限制,因此在需要采用認(rèn)證、簽名等安全技術(shù)時(shí),本文所提的門限方案更加適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。此外,本文所提方案還具有以下特點(diǎn):第一,滿足群合作的條件下應(yīng)該具備的魯棒性,可以在合作生成簽名的過程中檢測(cè)群內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)是否運(yùn)行錯(cuò)誤的行為和步驟,同時(shí)可以防御一些惡意的節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)群造成的影響；第二,可以進(jìn)行多簽,即群內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)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(duì)所有的

7、消息進(jìn)行簽名；最后,滿足分布式并行計(jì)算要求,所有參與簽名節(jié)點(diǎn)可以并行的計(jì)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(gè)適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于身份的簽名方案,并在此方案的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)算Diffie-Hellman問題不可解的前提下,本文使用隨機(jī)預(yù)言機(jī)模型證明所提環(huán)簽名方案可以抵御自適應(yīng)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(yàn)證、傳輸、存儲(chǔ)公鑰證書,不適用于計(jì)算、通訊帶寬、存儲(chǔ)空間等資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)?；谏矸莸拿艽a體系將身份消息作為公鑰,大大減少公鑰認(rèn)證的計(jì)算量和復(fù)雜性,因此非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。但是基于身份的密碼體系中固有的密鑰托管問題,會(huì)使得一個(gè)不誠(chéng)實(shí)的PKG偽造用戶的簽名,從而導(dǎo)致即使PKG是誠(chéng)實(shí)的情況下,用戶會(huì)對(duì)自己的簽名進(jìn)行抵賴。在所提簽名方案中,PKG不再作為一個(gè)可信的第三方。最后效率分析表明本文所提方