無線傳感器網絡中跨層設計研究.pdf

1、隨著硬件和無線技術的研究進展，諸如嵌入式技術、傳感器技術、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems）、通信技術、分布式信息處理以及網絡技術等，使得低成本、低功耗、小尺寸、多功能的傳感器節(jié)點得到廣泛的發(fā)展和應用。這種由具有通信、計算以及信息處理而無需基礎設施的傳感器節(jié)點形成的網絡被稱為無線傳感器網絡，已經被用來從物理世界收集數據。它們感知物理世界，在網內處理這些數據，然后使用無線多跳的方式與基站進行通信

2、。無線傳感器網絡在廣泛的應用領域內具有重大影響，這些應用范圍從軍事到科學、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療保健等領域，無線傳感器網絡重新界定了我們的生活和工作的社會方式。
　　 無線傳感器網絡是大型網絡，在一個網絡中所部署的節(jié)點數可以從成百上千個到成千上萬個不等，這些傳感器通常是由電池供電，節(jié)點的可靠性較低，節(jié)點資源有限，信道的容量隨著網絡的控制參數、環(huán)境不斷發(fā)生變化，造成網絡拓撲多變，傳統(tǒng)的分層設計不能適應無線傳感器網絡的需要。不同協(xié)議棧層之

3、間交互以及信息共享的跨層設計技術，可以提高無線傳感器網絡系統(tǒng)的性能以及資源的利用率，降低分層協(xié)議相關的開銷，提高效率。本文針對無線傳感器網絡自身的特點，使用跨層設計技術，在能量效率、服務質量、網絡安全等方面進行了探索和研究。主要的工作如下:
　　 1.對WSNs引入跨層設計的原因進行分析，對WSNs跨層設計使用的常用理論方法和技術等進行歸納總結，給出了WSNs跨層設計的概念，分析了WSNs跨層設計的動機與益處，并將WSNs跨層設

4、計分為兩大類，即全新抽象設計方法和兼容跨層設計方法，并對它們進行了分析和比較。
　　 2.為了滿足WSNs應用的QoS需求，以及資源受限的節(jié)點能夠充分利用所得到的資源，提出了基于尺度的無線傳感器網絡協(xié)同中繼跨層QoS路由解決方案。為該方案建立了網絡模型、路由模型以及能量消耗模型，提出了優(yōu)化的MAC方法和MCRICQR算法。節(jié)點感知的數據對時延敏感性的不同，接入信道以及使用信道的方法也不相同，使用基于定時器的MAC方法，來解決節(jié)點

5、使用介質問題;節(jié)點根據時延敏感性、能量、信道、擁塞以及與匯點的距離等綜合因素形成一個選擇度量，度量最大的節(jié)點根據自己所處狀態(tài)自主選擇直接轉發(fā)、中繼轉發(fā)以及躍進轉發(fā)數據包，即節(jié)點根據應用層、網絡層、MAC層以及物理層等多層參數來選擇NHF、RFN以及LPF，降低數據包傳輸的時延，提高可靠性，實現(xiàn)負載均衡，提高網絡吞吐量，延長網絡壽命。該算法具有較好的魯棒性和自適應性。
　　 3.針對WSNs節(jié)點數目多，分布范圍廣以及動態(tài)的拓撲等特

6、性，為了實現(xiàn)網絡能量高效，提出了跨層自適應周期分簇路由模型(CACR)。該模型由兩部分構成:(1)使用跨層自適應簇首選舉算法，選舉出簇首;(2)在簇首將數據包傳送給匯點時，使用跨層簇間路由模型算法。為了實現(xiàn)簇內和簇間通信時選擇最佳能量效率節(jié)點，以上算法考慮節(jié)點剩余能量、能量消耗因子、RSSI以及距離能耗指標，依據剩余能量動態(tài)調整簇首工作周期，均衡網絡節(jié)點能量;在數據包發(fā)送時，將物理層的功率調整到最適合的水平，從而提高整個網絡的能量效率，

7、延長網絡壽命。
　　 4.針對WSNs網絡節(jié)點易受安全攻擊的特性，若只考慮單一層次的安全方案對WSNs而言存在諸多局限性的問題，為無線傳感器網絡提出了一個跨層安全框架。該安全框架由能量高效的跨層安全框架和基于簇的安全密鑰管理(CSK)方案組成。并對所提出的跨層安全框架在能量效率、探測和抵御DoS攻擊、源真實性和數據驗證等方面進行分析。將所提出的WSNs跨層安全框架在WBSNs網絡中應用進行仿真。為了實現(xiàn)所提出的安全方案，提出了3