基于资源受限无线传感器网络关键问题的的研究

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1、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

2、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

3、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

4、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ECI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

5、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BloomFilter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

6、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

7、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AbstractThekeytechnologybasedonresourcelimitedisstillthebottleneckforWSNtobemature.DesigningWSNapplicationalgorithmwithlo

8、werenergycostundermicrowavewirelesscommunicationisaneffectivewaytosolvethebottleneckabove.Suchenergy-efficientstrategiesbasedonresourcelimitedinvolvemanyaspectssuchasdensitycontrol,energyconsumptiondistributionestimationan