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一种改进的无线传感器网络检测架构研究,无线

日期:2019-10-09编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:【网安学术】一种改进的无线传感器网络检测架构研究



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无线传感网络(wireless sensor network),由部署在监测区域内的大量传感器以自组织和多跳的方式构成的,以协作方式感知、采集、传输和处理网络覆盖区域内监测对象信息的无线网络。

摘要:无线传感器网络的应用日益广泛,在许多领域的研究中具有重要意义。针对大规模无线传感器网络中的目标检测问题,提出了一种改进的无线传感器网络检测架构。该架构以传感器集群节点为基础,合理选取了簇头。簇间数据传输可通过低耗能、自适应聚类层以及多跳路由等思路实现优化,得到新型跨层分布式架构,减少了传输数据量,降低了融合中心的处理负担。此外,分析了分布式调度协议和分布式路由协议改进方法,可使簇头更自主地完成对路由的决策分析,进一步提高检测融合过程中的能量利用效率。

无线传感网络系统通常包括传感器节点(sensor node)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。

0 引 言

传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成:
  传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;
  处理器模块负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点
  发来的数据;
  无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和采集数据;
  能量供应模块为传感器节点提供进行运行所需的能量,通常采用卫星电池

近年来,随着无线通信、计算机、信号处理与嵌入式技术的迅猛发展,对无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)的相关研究越来越受到重视。WSN由于具有低能耗、易部署、低成本、自组织以及节点小型化等特点,在民用领域和军事领域的应用日益广泛,如战场监视网络、士兵远程追踪定位系统、自然环境探测系统、物联网和智能交通等。无线传感器网络(WSN)可能包含成千上万个传感器,使得融合中心难以对各传感器节点实施监测。因此,目标检测成为WSN技术应用中的一个重要方向,即从网络覆盖区域中判断传感器目标信号是否存在。同时,在无线传感器网络实际应用中,信号检测是后续处理的前提,对研究提升网络性能具有重要的意义,受到了国内外学者和研究人员的广泛关注[1]。

传感器节点上的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层,与互联网协议栈的五层协议相对应。另外,协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台是的传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作,在节点移动的传感器网络中转发数据,并支持多任务和资源共享。

目前,无线传感器网络目标信号检测主要包括集中式检测和分布式检测两种,且数据融合也逐渐发展成为其中的一个关键环节。数据融合的优化可利用Neyman-Pearson准则使检测概率达到最大化,如文献[2]分析了通过网络路由设计减小WSN能量消耗的可行性。高效的数据融合中心还能对检测过程和网络路由进行联合优化,可选取适当的预处理思路与含有感知目标位置的算法等作为优化函数。然而,随着网络规模的增加,融合中心对各传感器数据的计算难度较大,且对传输带宽资源的要求增高,难于实现。此外,对于并行的分布式检测架构,由于融合中心与传感器直接相连,将导致过多的消耗。

传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才考虑节约能源,而传感器网络的首要设计目的是能源的高效利用,这也是传感器网络和传统网络最重要的区别之一。

针对上述一些问题,本文提出了一种改进的无线传感器网络检测架构,适合于解决大规模网络中的目标信号检测处理问题。该架构以传感器集群节点为基础,即把整个网络分为若干小型簇,并合理选取了簇头。簇间数据传输在集群中开展,头节点采用多跳路由。其中,集群可通过低耗能、自适应聚类层优化生成,得到新型的跨层分布式架构。各簇所覆盖的特定区域可进一步划分为多个细微的分辨率单元,簇内传感器单元能够精确地顺序探测各范围内的目标。在能耗方面的改进思路是,在给定范围分辨单元上对目标进行二元决策判别,当假设检验为真时,通过多跳路由将其上报至融合中心,减少需要传输到融合中心的数据量,从而降低融合中心的处理负担。

无线传感器网络中的关键技术:
1 网络拓扑控制
  传感器网络拓扑控制目前主要的研究问题是满足网络覆盖度和连通度的前提下,通过功率控制和骨干网节点选择,删除节点之间不必要的无线通信链路,生产一个高效的数据转发的网络拓扑结构。拓扑控制可以分为节点功率控制和层次拓扑结构形成两个方面。功率控制方面目前已经提出了COMPOW,LINT/lilt,CBTC,LMST,RNG,DRNG和DLSS等算法,层次拓扑控制目前提出了TopDisc,GAF,LEACH和HEED等算法。

此外,本文还研究分析了一种分布式调度协议和分布式路由协议,用来规范集群内和簇间的数据传输,进一步提高检测融合过程中的能量利用效率。

2网络协议
  由于传感器网络节点的硬件资源有限和拓扑结构的动态变化,网络协议不能太复杂但又要高效。目前研究的重点是网络层协议和数据链路层协议。网络层的路由协议决定监测信息的传输路径,目前提出了多种类型的协议,如多个能量感知的路由协议,定向扩散和谣传路由等基于查询的路由协议,GEAR和GEM等基于地理位置的路由协议,SPEED和ReInForM等支持的Qos的路由协议。数据链路层的介质访问控制用来构建底层的基础结构,控制传感器节点的通信过程和工作模式。目前提出了S-MAC,T-MAC和Sift等基于竞争的MAC协议,DEANA、TRAMA、DMAC和周期性调度等时分复用的MAC协议等。

1 检测架构模型分析

3 时间同步
  时间同步是需要协同工作的传感器网络系统的一个关键机制。目前已提出了多个时间同步机制,其中RBS、TINY/MINI-SYNC和TPSN被认为是三个基本的同步机制。

大多数WSN信号为窄带信号,可以将该类信号模型作为目标对象进行检测问题分析。设待处理信号是幅度-相位调制信号,且考虑到由于随机相位角引起的接收信号中的不确定因素。下面定义第i 个传感器发射信号的表达式为:

4 定位技术
 位置信息是传感器节点采集数据中不可缺少的部分,没有位置信息的检测通常是毫无意义。确定事件发生的位置或采集数据的节点位置是传感器网络最基本的功能之一。目前的定位技术有基于距离的定位,如基于TOA的定位、基于AOA的定位、基于RSSI的定位等;和与距离无关的定位算法,如质心算法、DV-Hop算法、APIT算法等等。

其中,fi(t) 表示信号si(t) 的包络,表示相位角。以雷达传感器为例进行分析说明,其反射信号的波形是带有随机相位角载波的衰减信号波形。因此,在检验假设条件H1 情况下,接收信号可表示为:

5 数据融合
 传感器网络存在能量约束。减少传输的数据量能够有效地节省能量,因此在从各个节点收集数据的过程中,可利用节点的本地计算和存储能力处理数据的融合,去除冗余信息,从而达到节省能量的目的。由于节点的易失效性,传感器网络也需要数据融合技术对多分数据进行综合,提高信息的准确度。但融合技术会牺牲其他方面的性能,如延迟和鲁棒性的代价。

其中,表示延时,表示在之间的随机变量。此处,gi(t) 与fi(t) 的关系计算式为:

6 嵌入式操作系统
  传感器节点是一个微型的嵌入式系统,携带非常有限的硬件资源,需要操作系统能够节能高效地使用其有限的内存、处理器和通信模块,且能够对各种特定应用提供最大的支持。在面向无线传感器网络的操作系统的支持下,多个应用可以并发地使用系统的有限资源。美国加州大学伯克利分校研发的tinyos操作系统,得到了比较广泛的使用,但仍然存在不足。

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无线传感器网络
振动传感器:如果选择带有USB接口的节点,可以把存储器内的数据下载到计算机
应变传感器:有效传输距离可达300m
扭矩传感器:对于长期监测应用,可数年不更换电池,大大提高了系统的免维护性

其表示正的常值系数,表示路径损耗指数,取值与环境因素有关,典型值为2~4。不妨先以无线传感器网络特定第i 个传感器对应的延时为目标进行分析,它可由距离来确定,并易与结合,从而接收信号可表示为:

无线传感器节点是一种非常小的计算机,一般由以下几部分组成:
1 处理器和内存(一般能力都比较有限)
2 各类传感器(温度,湿度,声音,加速度,全球定位等)
3 通讯设备(一般都是无线电收发器或光学通信设备)
4 电池(一般是干电池,也有使用太阳能电池)
5 其他设备,包括各种特定用途的芯片,串行并行接口等(USB,RS232)

在传感器信号检测处理前,通常先对截获的信号进行采样转换。因此,可用Ts 表示采样时间间隔,值满足,m 为整数。即可认为在时间范[0,KTs] 中正弦波形周期都为整数,然后对对应于第K 个传感器i 个采样点信号进行分析,则对于k=1,…,K 点的采样波形可表示为:

网络协议栈
物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术
数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制
网络层主要负责路由生成与路由选择
传输层负责数据的传输控制,是保证通信服务质量的重要部分
应用层包括一系列基于监测任务的应用层软件
能量管理平台管理传感器节点如何使用能源,在各个协议层都需要考虑节省能量
移动管理平台监测并注册传感器节点的移动,维护到汇聚节点的路由,使得传感器节点能够动态跟踪其邻居的位置
任务管理平台在一个给定的区域内平衡和调度监测任务

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安全需求
1 数据机密性
2 数据完整性
3 数据新鲜性
4 可用性
5 鲁棒性:无线传感器网络具有很强的动态性和不确定性,包括网络拓扑的变化,节点的小时或加入,面临各种威胁等,因此,无线传感器网络对各种攻击应具有较强的适应性,即使某次攻击行为得逞,该性能也能保障其影响最小化。
6 访问控制

且、,其中k=1,…,K ;gi(t) 和ni(t) 分别表示信号与噪声的采样波形。

无线传感器网络拓扑控制由两部分组成,即拓扑构建和拓扑维护。

设作为由反射波形采样点组成的观测向量,且ni(k) 可看作独立同分布的高斯噪声向量。于是,第i 个传感器的局部似然率为:

ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHZ(全球流行),868MHZ(欧洲流行)和915MHZ(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

选取。对于无线传感器处理而言,可合理假设在各阶段其信号相位是均匀分布的。因此,可定义:

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且:

ZigBee技术特点
1 低功耗:紧靠两节5号电池就可以维持长达半年到2年左右的使用时间
2 成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右,并且ZigBee协议是免专利费
3 时延短:典型的搜搜设备时延30ms,休眠激活时延15ms,活动设备信道接入时延15ms
4 网络容量大:星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个设备和一个主设备,一个区域              内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活
5可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发    送数据的竞争和冲突,MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息,如果传输过程中出现问题可以进行重发
6 安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性

然后,可将前述的局部似然比代入,得到:

ZigBee主要采用三种组网方式:
星型网
对等网
混合网

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节点类型
ZigBee协调者(ZC)
  每个ZigBee网络必须有一个
  初始化网络信息
ZigBee路由器(ZR)
  路由信息
ZigBee终端节点(ZED)
  没有路由功能
  低价格
  
  
ZigBee选型方案

其中,。

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定义,则式(9)还可表示为:

方案一所使用的单芯片方案是空间占用最少的,将微控制器、协议栈和射频收发前端整合到单一的芯片上,从而降低了芯片成本和功耗,成为真正意义上的SoC(System on Chip)解决方案,该方案的优点是利用单芯片集成电路有效地降低系统功耗;内嵌的线路可以减少甚至避免电路板信号传送时所造成的系统信号串扰;减少芯片对外引脚数,简化系统加工的复杂性;减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递,加快了数据传输和处理的速度。TI 公司的 CC2430、CC2431、CC2530、CC2531都是第一种方案的典型的应用有。方案二采用的是 MCU 或 DSP ZigBee 处理器,典型应用有 MSP430 CC2480,CC2480 是德州仪器 (TI)近日推出的最新 Z-Accel 系列 2.4GHz ZigBee 认证网络处理器中的首款产品,CC2480 把已经做好的 ZigBee 协议栈的软件放到芯片内部,用户通过外加一个 MCU,把应用程序放在外面的 MCU,这样就不用花很多的时间去开发 ZigBee协议栈方面的软件。CC2480 能够处理所有时序关键型与处理密集型 ZigBee 协议任务,而将应用 MCU 的资源占用空间释放出来用于满足其他应用要求。CC2480 能够通过 SPI 或 UART 接口与各种 MCU 通信。方案三采用含有 ZigBee stack 的 MCU RF 芯片的方案,典型的应用有 MSP430 CC2420,MSP430 CC2520。这种方案的优点是灵活性大,功耗相对较低。
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其中,I0 表示第一阶零阶修正贝塞尔函数。



不妨采用以下假设:对所有无线传感器的观测量都是独立的,满足二元假设条件的,因此对全部 N个无线传感器的总似然率可表示为:

对式(10)取对数变换,推导可得到:

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然后,将门限合理代入,有:

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注意到是单调函数,可近似表示为:

可定义且,则检验统计量l 可化简为:

则门限还可得出:

因此,根据Neyman-Pearson准则,设i 的概率密度函数不存在多点分布,则假设检验问题的最佳判决准则可推导得出:

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对于单个传感器i ,观测波形的平均能量可由下式得出:

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因此,其偏斜度比值可表示为:

由于假设所有接收到的传感器信号与其他传感器的相互独立,所以可将总偏斜度之比近似为所有传感器的偏斜度比之和。因此,总偏斜度比可通过式(20)得出:

2 检测架构优化思路

在探测特定的距离分辨率单元和反射信号时,簇内的每个传感器节点将通过式(8)计算其局部似然比,并把这些参数信息发送到簇头。因此,协调各传感器之间的传输数据十分重要。同时,作为分布式检测架构的一个重要环节,需要对分布式调度协议的改进方法进行研究。与TDMA类型机制里采用通过簇头调度各节点在集群内传输顺序的集中式调度方法不同,本文设计的分布式调度方法可允许每个传感器节点在不用询问邻近节点的情况下自主决策发送数据的时刻。此外,为了节省资源,新改进方法也不同于文献[3]中使用的顺序传输型信号检测架构,不需设置各传感器对集群里的其他传感器进行监听。

为更进一步实现优化,本文改进方法中对传感器节点i 的两个有关参数——剩余能量和偏斜度比率di 进行改进。这两个参数反映了传感器节点寿命及其数据在整体检测性能中的重要性。改进的原则是通过合理设计分布式调度协议,将上述两个参数实现最优配置。一方面,通过使各传感器的剩余能量即的值最大化,从而最大化寿命周期;另一方面,需要确保总的检测性能在一定程度上有所提高。设给定某一虚警概率的情况下存在门限D0 ,其数值对应于所需要的检测性能,因此在传感器网络簇群中,须满足以下条件:

澳门新葡8455手机版 ,其中N 表示最终传输簇中的节点数。

经过分析,没有采用传统的集中式思路,因为其在能量约束的传感器网络中一般是不可行的[4]。这里选取分布式调度协议的架构,其具有较强扩展性、相对较小的开销和节点鲁棒性等优点。实际运行过程中,通过对网络传感器的传输顺序的合理控制来实现改进。主要思路是设计基于调节后的传感器剩余能量和偏斜度比率参数进行计算,得出网络优化延迟时间。延迟时间本质上等于各传感器向集群簇头发送信息之前必须等待的时间。类似于IEEE802.11CSMA/CA协议帧间空隙时间间隔,即使信道未被占用,各节点在传输前也须等待。传感器i 的延迟时间可表示为,是di 和的函数,可以在本地进行计算。通过对该函数进行适当设置,能够使传感器节点获得更高的偏斜度比率和更大的剩余能量,从而实现传输时间的提前和高效处理。

在接收到簇头广播的信令信息后,同一簇内的传感器节点在向簇头发送数据前将延迟不同的时间段(延迟时间)。图1说明了改进机制示例,其中节点i 、j 和k 发送数据对簇头而言带有足够的信息,可作出保证检测精度的最终判决。簇头可向所有的传感器广播信息,无需进一步传输。因此,图1中的节点m 可不再传输数据,能够实现耗能的降低和节点寿命的延长。

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