文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
基于资源受限的无线传感器网络关键问题研究
姓名:贾玉福
申请学位级别:博士
专业:电磁场与微波技术
指导教师:董天临
20070301
华中科技大学博士学位论文
摘要
基于资源受限的若干关键技术问题一直是困扰 WSN 迈向成熟的瓶颈。围绕微波
无线通信的特点设计低功耗的 WSN 应用算法正成为解决上述瓶颈的一个有效途径。
通过适当控制 WSN 节点密度、使冗余节点在大部分时间处于休眠以节省能量,研究
网络区域内的节点能耗分布以指导其部署策略,将能量有效性设计思想与计算可行
性的安全算法相结合解决微波无线通信安全问题,将网络层知识用于指导节点的 MAC
层无线接入以实现 DPM 机制的跨层协议设计等都是解决上述问题的必然策略。本文
通过将微波无线通信网络建模技术、理论分析方法与网络仿真技术相结合,对 WSN
基于资源受限的若干相关关键技术问题进行了深入的研究。
本文围绕微波无线通信资源受限的特点,对 WSN 网络体系结构的网络通信协议、
网络管理以及应用支撑技术三部分进行了详细综述,分析了目前传感器网络进一步
发展亟待解决的资源受限相关技术问题。通过对 WSN 网络体系结构相关关键技术问
题的概括和总结,为本文在微波通信基础上所研究的包括节点密度控制、节点能耗
分布估计在内的能量有效性相关问题以及安全问题和协议跨层设计等,提供详细的
技术方法与基础理论研究支持。
研究了 WSN 在微波无线通信资源受限条件下利用节点密度控制达到网络能量有
效性的相关问题。通过覆盖效用范围与连通效用范围之间的几何分析与证明,简化
了区域覆盖与网络连通性问题的一致性策略。为了比较分布式密度控制算法的优劣,
提出了 WSN 密度控制问题的整数线性规划(ILP)普遍表达形式。针对不同覆盖区域的
WSN 应用覆盖度需求,与以往基于充分条件的状态转移判断原则不同,提出了基于蒙
特卡罗算法的节点密度控制机制和覆盖冲突避免与随机退避机制。与其他覆盖控制
算法相比,本文提出的蒙特卡罗算法不仅可以以较少的活跃节点对覆盖区域完成覆
盖,还可动态控制节点覆盖效用范围内子区域的覆盖度。同时,本文提出的覆盖冲
突避免与随机退避机制可以保持网络的稳定性。
研究了基于能量有限的节点能耗分布估计以便指导 WSN 网络部署的能量有效性
相关问题。比较了收集型与协作型两类微波无线通信网络的网络寿命求解模型。通
过对节点能耗建模与轴对称网络均匀部署建模以及能耗分析,提出了网络节点能耗
EC 估计曲线。通过推导得出结论:为了最大化网络寿命,基站的最佳位置应位于信
息重心。与其他针对协作型网络所做的网络寿命上限研究模型相比,本文提出的 EC
I
华中科技大学博士学位论文
能耗曲线提供了对传感器网络监测域内节点的能耗分布估计,即可为能量有效性的
网络部署提供理论指导,又可为评价路由协议的能量有效性提供了一个绝对标准。
研究了资源受限的 WSN 微波无线通信安全算法,分析了在能量约束,无线通信
带宽、计算处理能力等资源受限条件下安全算法应用的局限性以及网络易受到的攻
击方式。对椭圆曲线密码 ECC 算法在 WSN 中的可行性进行了论证。提出了基于单向
累加器 OWA 和 Bloom Filter 相结合的节点认证机制,针对 WSN 节点的特点分析了两
种算法的加强方案。相比于 WSN 的预共享密钥与随机密钥预分配机制,本文提出的
认证机制在满足节点资源需求的条件下,即可以使网络内任意节点之间建立安全连
接,又可以支持网络节点的动态加入与退出,同时不会使攻击者俘获局部节点便造
成全网瘫痪。
研究了基于资源受限的微波无线通信协议跨层设计问题。从微波无线通信信道
的特点、接入方式和 WSN 应用的网络体系结构特征三个方面论述了跨层协议设计的
必要性。通过深入分析 Zigbee 协议栈的结构特点及其两种无线通信机制在点对点网
络里应用的局限性,将系统运行周期分为三类阶段,提出了 CSMA/CA 与 TDMA 无线接
入相结合的跨层方案,引入节点的“盲等”策略实现数据传输阶段与路由恢复阶段
的交替。与 AODV+S-MAC 等基于 DPM 的无线接入机制相比,本文提出的跨层方案可
获得更高的数据包接收率、更低的数据包传输延迟和基站接收包的平均系统能耗。
关键词:微波无线通信能量有效性密度控制网络安全多经路由协议跨层设计
蒙特卡罗算法
II
华中科技大学博士学位论文
Abstract
The key technology based on resource limited is still the