延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究
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《北京郵電大學(xué)》 2012年
延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究
楊奎武
【摘要】:作為二十一世紀(jì)初最重要的科學(xué)技術(shù)之一,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其“無處不在”的計(jì)算理念,成為連接物理世界、信息世界和人類社會的橋梁,被廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。然而隨著應(yīng)用需求和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,傳感器節(jié)點(diǎn)常常需要安裝在運(yùn)動載體之上,或者部署在水下等運(yùn)動介質(zhì)當(dāng)中;同時,節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動特性以及實(shí)際應(yīng)用環(huán)境等原因往往使得傳感器節(jié)點(diǎn)間的通信鏈路具有間歇連通的特點(diǎn)。這種具有節(jié)點(diǎn)移動特性和間歇連通性的傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱為延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Mobile Sensor Network, DTMSN)。 DTMSN1作為一種面向非連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),能夠廣泛應(yīng)用于智能交通、戰(zhàn)場情報(bào)獲取、水下信息采集等多種領(lǐng)域,成為當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的新熱點(diǎn),受到普遍關(guān)注。 數(shù)據(jù)傳輸作為網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本功能,是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的基礎(chǔ)和前提。DTMSN中,由于節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動性以及鏈路的間歇連通性,使得網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)很難及時、可靠地傳輸?shù)侥康牡?從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)有著通信開銷大、數(shù)據(jù)傳輸延遲高、可靠性低以及安全性差等不足,成為DTMSN的實(shí)際應(yīng)用的最大瓶頸。因此針對傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限的特點(diǎn),面向?qū)嶋H應(yīng)用設(shè)計(jì)高效合理的DTMSN數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,快速可靠地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡?并達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸成功率、通信開銷、傳輸時延的有效平衡,就成了DTMSN所要解決的首要問題。 針對現(xiàn)有DTMSN數(shù)據(jù)傳輸中存在的問題,本文在對DTMSN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行全面分析和總結(jié)的基礎(chǔ)上,根據(jù)DTMSN的網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用特點(diǎn),對DTMSN的數(shù)據(jù)傳輸所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。本文的主要內(nèi)容及成果如下 1.針對隨機(jī)路點(diǎn)移動模型(Random Way-Point model,RWP),提出一種而向RWP的延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)連接探測機(jī)制(Adaptive Contact-Probing Scheme, ACPS)。其基本思想是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)空間分布的統(tǒng)計(jì)特征,節(jié)點(diǎn)確定自身每次運(yùn)動過程中的連接到達(dá)率,并自適應(yīng)地調(diào)整連接探測次數(shù)和探測時刻,通過提高探測效率和探測準(zhǔn)確性來降低連接探測能量開銷和連接發(fā)現(xiàn)延遲;同時根據(jù)用戶的計(jì)算能力,為用戶定制了用于確定連接探測次數(shù)與探測時刻的兩種計(jì)算方法ACPS-EIP和ACPS-EPP。與常用的固定周期探測機(jī)制(Fixed-cycle Probing Scheme, FPS)相比,ACPS能夠以較低的能量開銷取得更高的探測成功率和更短的連接發(fā)現(xiàn)延遲,有助于提升DTMSN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w性能。 2.為實(shí)現(xiàn)DTMSN高效數(shù)據(jù)采集,提出了一種基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制(Motion State-based Delivery scheme, MSD)。MSD將數(shù)據(jù)傳輸分為消息轉(zhuǎn)發(fā)和消息管理兩部分。在消息轉(zhuǎn)發(fā)過程中,傳感器節(jié)點(diǎn)使用f1和f2兩個通信頻率,并創(chuàng)新性地將節(jié)點(diǎn)相對于基站的運(yùn)動劃分為多個狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)基站在頻率f1上的廣播信號強(qiáng)度完成自身運(yùn)動狀態(tài)和傳輸概率的計(jì)算,并以此為依據(jù)利用頻率f2將消息轉(zhuǎn)發(fā)給傳輸概率更大的節(jié)點(diǎn);在消息管理中,MSD利用消息生存時間和自身消息優(yōu)先傳輸?shù)淖运叫栽瓌t來完成消息隊(duì)列的管理,提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。仿真表明,MSD能夠以較低的通信開銷和傳輸延遲達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸成功率。 3.為降低DTMSN廣播數(shù)據(jù)傳輸時延,提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的廣播數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制(Netcoding-based Broadcasting Transmission scheme, NBT)。NBT中,基站將原始數(shù)據(jù)分批進(jìn)行傳輸,同一批次數(shù)據(jù)包傳輸給不同傳感器節(jié)點(diǎn)時采用的編碼向量互不相關(guān),傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用泛洪機(jī)制交換編碼數(shù)據(jù)包。這種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的廣播數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制減小了節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)相關(guān)度,有效降低了廣播時延,具有比泛洪更加優(yōu)秀的時延性能。為進(jìn)一步降低NBT機(jī)制的通信開銷,提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的高效廣播數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制(Netcoding-based Efficient Broadcasting Transmission scheme,NEBT)。在NBT的基礎(chǔ)上,NEBT優(yōu)化了節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交互的策略,采用盡力在節(jié)點(diǎn)存在多個連接的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)廣播的策略來降低通信開銷。實(shí)驗(yàn)表明,NBT和NEBT能夠有效降低廣播傳輸時延,且NEBT具有更低的通信開銷。 4.針對現(xiàn)有DTMSN節(jié)點(diǎn)相互認(rèn)證機(jī)制無法抵御克隆攻擊問題,以提高數(shù)據(jù)傳輸安全性為目的,提出了一種基于物理不可復(fù)制功能(Physical Unclonable Function,PUF)的節(jié)點(diǎn)相互認(rèn)證機(jī)制(Mutual Authentication scheme based on PUF, MAP)。MAP利用PUF不可復(fù)制的物理特性,通過節(jié)點(diǎn)存儲彼此的“激勵-響應(yīng)”對來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的相互認(rèn)證。這種認(rèn)證方式擺脫了以往基于PUF認(rèn)證機(jī)制對數(shù)據(jù)庫的依賴,具有速度快、安全性高且抵抗克隆攻擊等優(yōu)點(diǎn)。基于MAP,本文提出了一種分層的延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理機(jī)制(Key Management scheme based on PUF,KMP), KMP機(jī)制具有管理簡單、安全高效等優(yōu)點(diǎn),能夠有效保障DTMSN數(shù)據(jù)通信安全。 綜上所述,面向DTMSN的應(yīng)用需求及網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),針對現(xiàn)有DTMSN數(shù)據(jù)傳輸中存在問題,以提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能及安全性為目標(biāo),本文利用統(tǒng)計(jì)分析、網(wǎng)絡(luò)編碼、PUF等理論和技術(shù),對DTMSN數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)開展了深入的研究;針對DTMSN數(shù)據(jù)傳輸過程中的連接發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分發(fā)及安全通信等問題提出了具體的解決方案,并在仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了方案的可行性和正確性。本文的研究成果有助于改善DTMSN數(shù)據(jù)傳輸性能,促進(jìn)DTMSN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用。
【關(guān)鍵詞】:
【學(xué)位授予單位】:北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2012
【分類號】:TN929.5;TP212.9
【目錄】:
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4 鄒賽;胡云冰;;水環(huán)境中移動傳感器節(jié)點(diǎn)研究及設(shè)計(jì)[J];西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年07期
5 樊留群;陳相濱;杜娟;;主動式移動傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺建模[J];測控技術(shù);2006年01期
6 楊明華;曹元大;譚勵;朱東鋒;;一種新的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)部署及管理機(jī)制[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2008年12期
7 周虹宇;周激流;林鋒;;一種容延遲移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中的代碼分發(fā)機(jī)制[J];四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2008年05期
8 付彬;李仁發(fā);肖雄仁;;容遲移動傳感器網(wǎng)絡(luò)預(yù)測輔助的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制[J];小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng);2013年10期
9 沈毅;涂志亮;王強(qiáng);;一種分布式移動傳感器負(fù)載均衡部署算法[J];控制工程;2012年06期
10 錢慧;周祥云;許志猛;余輪;;移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)快速一致性濾波定位[J];計(jì)算機(jī)科學(xué);2013年03期
中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條
1 李燕;王樂寧;;信息網(wǎng)格中移動傳感器網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議棧研究[A];2005年海峽兩岸三地?zé)o線科技學(xué)術(shù)會論文集[C];2005年
2 郭江;馮斌;;無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[A];第十屆全國敏感元件與傳感器學(xué)術(shù)會議論文集[C];2007年
3 黎潔;屈玉貴;趙保華;;容遲移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能MAC協(xié)議[A];中國通信學(xué)會通信軟件技術(shù)委員會2009年學(xué)術(shù)會議論文集[C];2009年
中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前2條
1 程京生;[N];人民郵電;2014年
2 四川 陳偉鑫譯;[N];電子報(bào);2004年
中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條
1 衛(wèi)琳娜;混合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于覆蓋洞修補(bǔ)的移動傳感器分派[D];電子科技大學(xué);2012年
2 王偉東;移動傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究[D];電子科技大學(xué);2008年
3 黎潔;容遲移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)管理機(jī)制的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年
4 李文霽;延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2013年
5 周彤;移動傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署及自定位技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年
6 楊奎武;延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京郵電大學(xué);2012年
7 李瑩瑩;基于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式節(jié)能目標(biāo)跟蹤研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年
中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 喬祺;容遲移動傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年
2 白靜;面向目標(biāo)跟蹤的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)調(diào)度問題研究[D];浙江大學(xué);2013年
3 劉云岫;基于蜂擁控制的移動傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)跟蹤[D];南京郵電大學(xué);2014年
4 侯加濤;延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于接收者的分階段數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議[D];湖南科技大學(xué);2011年
5 陳宇錚;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動傳感器節(jié)點(diǎn)派遣算法的研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2014年
6 王長清;基于移動傳感器的柵欄覆蓋算法研究與實(shí)現(xiàn)[D];華中科技大學(xué);2012年
7 杜融;基于移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的城市交通監(jiān)測與估計(jì)[D];上海交通大學(xué);2014年
8 許一廛;容遲移動傳感器網(wǎng)絡(luò)路由與緩存管理研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年
9 孫富康;面向WSN巡航覆蓋的移動傳感器本體控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];安徽建筑工業(yè)學(xué)院;2012年
10 黃迪;ARM處理器在主動式移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[D];同濟(jì)大學(xué);2007年
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本文編號:160130
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