本文關(guān)鍵詞：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，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《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)域的不斷擴展,傳感器節(jié)點常常需要安裝在運動載體之上,或者部署在水下等運動介質(zhì)當中；同時,節(jié)點的運動特性以及實際應(yīng)用環(huán)境等原因往往使得傳感器節(jié)點間的通信鏈路具有間歇連通的特點。這種具有節(jié)點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)場情報獲取、水下信息采集等多種領(lǐng)域,成為當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的新熱點,受到普遍關(guān)注。 數(shù)據(jù)傳輸作為網(wǎng)絡(luò)的一項基本功能,是網(wǎng)絡(luò)運行的基礎(chǔ)和前提。DTMSN中,由于節(jié)點的運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的實際應(yīng)用的最大瓶頸。因此針對傳感器節(jié)點資源受限的特點,面向?qū)嶋H應(yīng)用設(shè)計高效合理的DTMSN數(shù)據(jù)傳輸機制,快速可靠地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥康牡?并達到數(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,對DTMSN的數(shù)據(jù)傳輸所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。本文的主要內(nèi)容及成果如下 1.針對隨機路點移動模型(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)連接探測機制(Adaptive Contact-Probing Scheme, ACPS)。其基本思想是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點空間分布的統(tǒng)計特征,節(jié)點確定自身每次運動過程中的連接到達率,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算方法ACPS-EIP和ACPS-EPP。與常用的固定周期探測機制(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.為實現(xiàn)DTMSN高效數(shù)據(jù)采集,提出了一種基于節(jié)點運動狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸機制(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)點使用f1和f2兩個通信頻率,并創(chuàng)新性地將節(jié)點相對于基站的運動劃分為多個狀態(tài)。傳感器節(jié)點根據(jù)基站在頻率f1上的廣播信號強度完成自身運動狀態(tài)和傳輸概率的計算,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；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)傳輸機制(Netcoding-based Broadcasting Transmission scheme, NBT)。NBT中,基站將原始數(shù)據(jù)分批進行傳輸,同一批次數(shù)據(jù)包傳輸給不同傳感器節(jié)點時采用的編碼向量互不相關(guān),傳感器節(jié)點之間采用泛洪機制交換編碼數(shù)據(jù)包。這種基于網(wǎng)絡(luò)編碼的廣播數(shù)據(jù)傳輸機制減小了節(jié)點間的數(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。為進一步降低NBT機制的通信開銷,提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼的高效廣播數(shù)據(jù)傳輸機制(Netcoding-based Efficient Broadcasting Transmission scheme,NEBT)。在NBT的基礎(chǔ)上,NEBT優(yōu)化了節(jié)點間數(shù)據(jù)交互的策略,采用盡力在節(jié)點存在多個連接的情況下進行數(shù)據(jù)廣播的策略來降低通信開銷。實驗表明,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)點相互認證機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)點相互認證機制(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)點存儲彼此的“激勵-響應(yīng)”對來實現(xiàn)節(jié)點間的相互認證。這種認證方式擺脫了以往基于PUF認證機制對數(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�；贛AP,本文提出了一種分層的延遲容忍移動傳感器網(wǎng)絡(luò)密鑰管理機制(Key Management scheme based on PUF,KMP), KMP機制具有管理簡單、安全高效等優(yōu)點,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,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,本文利用統(tǒng)計分析、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,并在仿真實驗中驗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DTMSN網(wǎng)絡(luò)的實用。

【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】：

摘要5-8

ABSTRACT8-15

第一章 緒論15-41

1.1 研究背景及意義15-25

1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和延遲容忍網(wǎng)絡(luò)概述15-22

1.1.2 DTMSN產(chǎn)生及應(yīng)用背景22-24

1.1.3 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究意義24-25

1.2 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸面臨的挑戰(zhàn)及評價標準25-27

1.3 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢27-38

1.3.1 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀27-37

1.3.2 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)研究趨勢37-38

1.4 本文的主要研究工作及論文組織結(jié)構(gòu)38-41

1.4.1 主要研究工作及創(chuàng)新點38-40

1.4.2 論文組織結(jié)構(gòu)及安排40-41

第二章 DTMSN自適應(yīng)連接探測機制41-58

2.1 引言41-42

2.2 RWP移動模型及其節(jié)點空間分布統(tǒng)計特性42-44

2.2.1 RWP移動模型及特點42-43

2.2.2 RWP移動模型節(jié)點空間分布統(tǒng)計特性43-44

2.3 網(wǎng)絡(luò)模型及問題描述44-46

2.3.1 連接過程模型44-45

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)模型45

2.3.3 問題描述45-46

2.4 ACPS自適應(yīng)連接探測機制46-49

2.4.1 連接到達率及探測次數(shù)計算46-48

2.4.2 連接探測時刻計算48-49

2.4.3 ACPS自適應(yīng)連接探測步驟49

2.5 仿真實驗及性能分析49-56

2.5.1 三種探測機制性能比較分析50-51

2.5.2 節(jié)點通信半徑對性能的影響51-52

2.5.3 節(jié)點運動速度對性能的影響52-54

2.5.4 節(jié)點數(shù)量對性能的影響54-55

2.5.5 探測參數(shù)ε對性能的影響55-56

2.6 本章小結(jié)56-58

第三章 基于運動狀態(tài)的DTMSN數(shù)據(jù)傳輸機制58-77

3.1 引言58-60

3.2 網(wǎng)絡(luò)模型及傳輸機制要求60-62

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)模型60-62

3.2.2 傳輸機制要求62

3.3 MSD數(shù)據(jù)傳輸機制62-66

3.3.1 數(shù)據(jù)傳輸62-64

3.3.2 隊列管理64-66

3.4 仿真實驗及性能分析66-75

3.4.1 四種數(shù)據(jù)傳輸機制性能比較分析67-68

3.4.2 節(jié)點通信半徑對性能的影響68-69

3.4.3 節(jié)點數(shù)量對性能的影響69-71

3.4.4 節(jié)點運動速度對性能的影響71-72

3.4.5 節(jié)點隊列長度對性能的影響72-74

3.4.6 廣播覆蓋半徑c對MSD性能的影響74-75

3.5 本章小結(jié)75-77

第四章 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的DTMSN廣播數(shù)據(jù)傳輸機制77-102

4.1 引言77-79

4.2 基礎(chǔ)知識79-84

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)編碼理論基礎(chǔ)79-83

4.2.2 節(jié)點數(shù)據(jù)相關(guān)度83

4.2.3 節(jié)點廣播收益83-84

4.3 NBT數(shù)據(jù)廣播傳輸機制84-93

4.3.1 NBT網(wǎng)絡(luò)模型及假設(shè)84

4.3.2 NBT基本原理84-85

4.3.3 原始廣播數(shù)據(jù)編碼85-86

4.3.4 廣播數(shù)據(jù)交互86-87

4.3.5 節(jié)點譯碼87-88

4.3.6 仿真實驗及性能分析88-93

4.4 NEBT廣播數(shù)據(jù)傳輸機制93-100

4.4.1 NEBT網(wǎng)絡(luò)模型及假設(shè)93-94

4.4.2 NEBT基本原理94

4.4.3 原始廣播數(shù)據(jù)編碼94-95

4.4.4 節(jié)點間編碼廣播數(shù)據(jù)交互95-96

4.4.5 節(jié)點譯碼96-97

4.4.6 仿真實驗及性能分析97-100

4.5 本章小結(jié)100-102

第五章 基于PUF的DTMSN安全數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)102-126

5.1 引言102-106

5.1.1 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸面臨的安全威脅及安全需求102-104

5.1.2 DTMSN數(shù)據(jù)傳輸安全相關(guān)工作104-106

5.2 物理不可復(fù)制功能(PUF)及其數(shù)學(xué)模型106-110

5.2.1 PUF概述106-108

5.2.2 PUF安全應(yīng)用108-109

5.2.3 PUF數(shù)學(xué)模型109-110

5.3 基于PUF的DTMSN節(jié)點相互認證機制110-116

5.3.1 網(wǎng)絡(luò)模型及假設(shè)110-112

5.3.2 網(wǎng)絡(luò)初始化過程112

5.3.3 認證過程112-114

5.3.4 MAP認證機制安全性分析及性能分析114-116

5.4 基于PUF的DTMSN密鑰管理機制116-124

5.4.1 網(wǎng)絡(luò)模型及假設(shè)116-117

5.4.2 密鑰分類117-118

5.4.3 初始化密鑰分配118-119

5.4.4 節(jié)點間相互認證119

5.4.5 密鑰更新119-120

5.4.6 密鑰重置及網(wǎng)絡(luò)擴展120-121

5.4.7 KMP密鑰管理機制安全性及性能分析121-124

5.5 本章小結(jié)124-126

第六章 總結(jié)與展望126-129

6.1 論文研究工作總結(jié)126-127

6.2 未來研究展望127-129

參考文獻129-137

附錄 縮略語表137-139

致謝139-140

作者攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文目錄140-141

作者攻讀博士學(xué)位期間參與申請專利目錄141-142

作者攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目142

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【相似文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：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，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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