【摘要】：無線傳感器網絡為物聯網提供了對物理世界的感知接口,為物聯網的高效運行提供了數據支撐。本論文考慮一類部署在潮間帶的無線傳感器網絡,由于其特殊的部署環(huán)境,系統(tǒng)具有網絡連接動態(tài)性強、數據傳輸延遲大、節(jié)點能耗高等問題。對此,本論文研究了基于終端的低功耗配置問題,并通過設計低功耗、低延遲的路由算法提高收數效率。·為了最大化延長系統(tǒng)的壽命,傳感器節(jié)點通常使用低占空比的工作模式,即節(jié)點僅周期性的工作很短一段時間,而大部分時間處于休眠狀態(tài)。目前,大部分的能耗優(yōu)化工作都主要關注如何降低節(jié)點工作期間的能耗,并認為休眠狀態(tài)的功耗可以忽略不計。本文通過對低占空比系統(tǒng)能耗的分析發(fā)現,針對休眠狀態(tài)功耗的優(yōu)化對整體系統(tǒng)能耗優(yōu)化有著至關重要的作用,同時休眠狀態(tài)時不合理的GPIO(General Purpose Input Output)引腳配置會帶來巨大的能耗。基于此,本文提出了 OPCIO,利用遺傳算法,自動化實現終端節(jié)點休眠狀態(tài)GPIO引腳的優(yōu)化配置。通過對實際傳感器節(jié)點的能耗優(yōu)化結果表明,OPCIO從硬件角度提供了節(jié)點能耗優(yōu)化的方案�！ぢ酚蓞f議通常需要依賴準確實時的鏈路質量估計,以確保數據在動態(tài)網絡中的可靠傳輸。通過對實際潮間帶無線傳感器網絡的觀察,發(fā)現頻繁的鏈路質量估計帶來了能量與帶寬的浪費。本文就這一問題,分析調研了潮間帶系統(tǒng)中的鏈路質量變化情況,研究了通過稀疏采樣實現鏈路質量的準確估計的可行性。據此,本文提出一個基于壓縮感知技術的鏈路質量估計協議,并結合路由選擇,提出低功耗路由協議——LESS。LESS同時利用了網絡部署環(huán)境在時間域和空間域的特點,設計了 3種采樣策略以適應不同類型的動態(tài)網絡,同時提高鏈路質量重構精度。通過對實際系統(tǒng)數據和大規(guī)模網絡仿真的驗證,LESS能在保證鏈路質量估計的精度上,有效降低50%的能量和帶寬消耗�！せ诔遍g帶環(huán)境的無線傳感器網絡由于其特殊的部署環(huán)境,導致系統(tǒng)延遲要遠高于普通物聯網。通過對網絡延遲的分析和建模,發(fā)現結合節(jié)點狀態(tài)估計的路由算法能夠實現系統(tǒng)延遲的優(yōu)化。基于此,本文首先提出了一個基于隱馬爾科夫模型的輕量級節(jié)點當前狀態(tài)估計算法;并進一步提出了基于機器學習的節(jié)點未來狀態(tài)估計方法。結合以上兩種估計方法,本文分別提出了低延遲路由算法SADO和PIDO。大規(guī)模仿真系統(tǒng)證明,SADO和PIDO分別能為不同低延遲需求的潮間帶網絡提供可靠的低延遲選路策略。另外,考慮到短距離物聯網智能終端設備交互場景(Device to Device,D2D)的普及,本文還探索了智能終端設備的安全認證問題�！ぴ贒2D通信問題中,如何在雙方設備沒有協商秘鑰的前提下,實現可靠設備認證是一個亟待解決的安全問題。本論文就這一問題,提出了終端設備安全認證機制——NAuth,以保證通信過程中設備的合法性和一致性。NAuth利用“揚聲器-麥克風”系統(tǒng)非線性特性提取設備特征,設計了設備認證機制;同時利用多麥克風系統(tǒng)的TDOA(Time Difference of Arrival)設計了基于位置的驗證模型。通過實際系統(tǒng)測試,NAuth能夠提供快速的設備安全認證服務,并能防止近距離攻擊者的重放攻擊和中間人攻擊。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：2625347