SEP A stable election protocol for clustered heterogeneous wireless sensor networks

用菲涅尔区模型探究WiFi 感知系统的稳定性牛凯1,2，张扶桑3，吴丹1,2，张大庆1,2+1.北京大学信息科学技术学院高可信软件技术教育部重点实验室，北京1008712.北京大学（天津滨海）新一代信息技术研究院，天津3004503.中国科学院软件研究所计算机科学国家重点实验室，北京100190+通信作者E-mail:*************** 摘要：基于WiFi 的非接触感知系统利用环境中广泛存在的WiFi 信号在自然情况下对用户活动进行感知，具有十分广阔的应用前景。

从细粒度活动到粗粒度活动，现有工作进行了大量的探索，但尚未理解和解决感知系统稳定性不足的问题。

当感知对象、收发设备位置、测试环境等发生变化时，系统性能会受到严重影响。

实际上，人体活动对应的接收信号模式因位置和朝向的变化而带来的不一致性导致了系统不能稳定工作。

为了理解这种现象的本质，利用团队提出的基于无线感知的菲涅尔区衍射和反射模型，精确定量刻画了目标物体相对于收发设备的位置、运动轨迹和无线信号波形模式之间的关系。

通过两个应用实例，即细粒度的手指动作识别和粗粒度的健身活动识别，在模型的指导下，分别解释了系统不能稳定工作的原因，说明了如何得到一致的感知波形，以及如何构造可区分的感知波形，并给出了提升感知系统性能的方法。

关键词：菲涅尔区模型；系统稳定性；WiFi ；无接触感知文献标志码：A中图分类号：TP399Exploring Stability in WiFi Sensing System Based on Fresnel Zone ModelNIU Kai 1,2,ZHANG Fusang 3,WU Dan 1,2,ZHANG Daqing 1,2+1.Key Laboratory of High Confidence Software Technologies,Ministry of Education,School of Electronics Engineering and Computer Science,Peking University,Beijing 100871,China2.Peking University Information Technology Institute (Tianjin Binhai),Tianjin 300450,China3.State Key Laboratory of Computer Sciences,Institute of Software,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China Abstract:WiFi based contactless sensing systems use pervasive wireless communication signals in the environment to sense human activities in a natural way,enabling many promising applications.From fine-grained activity sensing to coarse-grained activity recognition,existing work have done a great deal of exploration.However,there is lack of understanding and tackling the serious unstable sensing performance problem.While changing the human target,the position of transceivers,and test environment,the system performance is severely degraded.The reason behind the instability of WiFi-based sensing system is that human activities induce the inconsistent signal patterns inherently at different positions.This paper proposes the Fresnel zone-based diffraction and reflection sensing model,which can计算机科学与探索1673-9418/2021/15(01)-0060-13doi:10.3778/j.issn.1673-9418.1912017基金项目：国家自然科学基金（61572048，61802373）；北大百度基金资助项目（2019BD005）；中国科学院青年创新促进会项目（2020109）。

无线传感器网络LEACH算法的综合改进陈楠，徐塞虹北京邮电大学计算机科学与技术学院，北京（100876）E-mail：chennan6062@摘要：本文通过研究无线传感器网络的层次型路由协议LEACH算法，指出了其存在的一些缺点，并对其某些改进算法进行深入研究，在此基础上进一步改进，吸取已有算法的优点，弥补其中的不足，提出了一种新的分簇算法及簇的维护算法。

关键词：无线传感器网络，层次型路由协议，LEACH算法，改进中图分类号：TP3931.引言传感器技术、通信技术和计算机技术是现代信息技术的三大支柱，它们分别完成对被测量对象的信息提取、信息传输及信息处理。

将这三种技术融合在一起的无线传感器网络技术给人们生活的各个领域带来了极大的影响。

作为一种全新的技术，无线传感器网络给科技工作者提出了很多具有挑战性的课题，其中路由协议就是热点之一，传统网络的路由协议远远不能满足无线传感器网络的特点和要求，因此，该领域具有很大的研究价值[1]。

本论文在已经提出来的分层次路由协议的基础上进行进一步改进，从而使网络性能又进一步的提升。

2.研究背景无线传感器网络是由大量功率低、体积小、价格便宜的传感器节点组成的，这些节点实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或者被监测对象等诸多用户所感兴趣的信息，并对这些信息进行分布式处理，随后传递给用户，使用户随时随地都可以获取所需的信息。

由于传感器网络所具有的特点，其应用前景十分广泛。

但是由于无线传感器网络这些特点的存在，导致节点能量资源、计算能力和带宽等资源都非常有限，尤其是其有限的能量直接影响传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。

因此，设计有效的策略，降低节点能源损耗，提高网络生命周期成为无线传感器网络的核心问题。

影响节点能源损耗的因素有很多，其中最重要的就是路由协议以，但是传统的那些路由协议应用于无线传感器网络中在某些方面存在一定的缺陷，所以基于传统路由协议，W.R Heinzelman等人提出了低功耗自适应集群型分层路由协议（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol），LEACH协议[2]是第一个在无线传感器网络中提出的层次式路由协议，其后的大部分层次式路由协议都是在它的基础上发展而来的。

第19卷 第3期太赫兹科学与电子信息学报Vo1.19，No.3 2021年6月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Jun.，2021文章编号：2095-4980(2021)03-0433-05基于BATMAN-adv的多跳无线网络赵志豪1，陈娅冰1，张戬 2(1.烟台工程职业技术学院信息与传媒系，山东烟台 264006；2.哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150001)摘 要：无线自组网具有去中心化、多信道、多跳等特点，适用于专网和临时应急网络的快速搭建。

为了使网络具有更宽的覆盖、更强的绕射能力和更高的吞吐量，系统选择一种支持IEEE802.11 ac的三射频接口物理层节点，在此基础上，结合BATMAN-adv路由协议进行研究，实现了一种基于多接口多信道的自组网系统。

仿真实验数据表明，该系统在5G频谱中能够全双工使用正交信道降低干扰，将网络链路拓展至5跳以上，网络损耗衰减低于30%，网络吞吐量高于300Mbps。

关键词：自组网；多信道；正交信道；吞吐量中图分类号：TN915.03 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2019571Multi-hop wireless network research based on BATMAN-advZHAO Zhihao1，CHEN Yabing1，ZHANG Jian2(rmation and Media Department, Yantai Engineering & Technology College, Yantai Shandong 264006, China；2.College of ComputerScience and Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin Heilongjiang 150001, China)Abstract：Self-organized wireless network, featured by non-centralized, multi-channel, multi-hop, meets the requirements of emergence networks and dedicated networks. To gain the network performancewith longer range cover, non-visible communication and higher throughput, tri-radio nodes supportingIEEE802.11 ac protocol are selected. Combining with Better Approach To Ad-hoc NetworkAdvanced(BATMAN-adv) routing protocol, a system of self-organized wireless network with multi-channeland multi-interface is realized. The field test data indicates that the system extends coverage to 5 hops with30%throughput loss and the throughput is up to 300Mbps with orthogonal channels under full duplexmode in 5G spectrum.Keywords：self-organized；multi-channel；orthogonal channels；throughput无线网状网络(Wireless Mesh Network，WMN)[1]是一种区别于传统无线网络的新型通信网络。

第一章习题1、什么是无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)？大量的静止或移动的传感器节点，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，目的是协作地探测、处理和传输网络覆盖地域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

2、传感器网络节点使用的限制因素有哪些？①电池能量有限：需要电池提供能量的模块：传感器模块、处理器模块、通信模块。

②通信能力有限：E = k × dn (K—系数、 d—距离、 n—3，4）③计算和存储能力有限：传感器节点是一种微型嵌入式设备，价格低、功耗小。

因此，限制处理器计算能力弱，存储能量小。

3、分析传感器网络节点消耗电源能量的特征。

无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，在空闲和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。

4、无线网络分类。

5、工业现场总线的含义及其类型。

含义：应用在生产现场和微机化测量控制设备之间，实现双向串行多节点数字通信的系统。

总线类型：CAN 、Lonworks、Profibus、 HART、FF等。

6、传感器节点组成。

传感器模块：信息采集、数据转换处理器模块：控制、数据处理无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据电源模块：提供能量第二章习题1、无线传感器网络的拓扑结构有哪几种？按照节点功能及结构层次，无线传感器网络拓扑结构分为：①平面网络结构②分层网络结构③混合网络结构④Mesh网络结构2、Mesh结构的无线传感器网络的特点是什么？有哪些具体应用？特点：节点分布规则；节点功能相同；节点之间都存在多跳路径。

应用：人员和车辆安全监控系统。

第三章习题1、目前无线传感器网络的通信传输介质有哪些类型？无线通信介质：无线电波、微波、红外线等。

2、无线网络通信系统为什么要进行调制和解调？调制有哪些方法？原因：由于基带信号频率低，信号发射天线尺寸会很大；方法：频分复用。

模拟调制: AM、 FM、 PM。

现代电子技术ModernElectronicsTechnique

Feb.2022

Vol.45No.42022年2月15日

第45卷第4期

无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）广泛应用于智慧农业、环境监控、战场监控和动物跟踪等方面[1⁃2]，其由传感模块、存储模块、计算模块、电源模块组成[3]。由于传感器节点体积小，自身的计算、通信能力及存储能量有限，WSN监测的区域广，部署的传感器节点众多，无法为大量传感器节点更换电池等缺陷[4⁃5]，使得有效节省全网节点能耗成为需要解决的重要问题。路由协议是影响传感器节点能耗的主要因素之一，也是提高无线传感器网络寿命的一个关键因素，其中分簇路由协议是路由协议的一类，因其节省能耗而被广泛应用[6⁃7]。基于此，本文提出一种分区域的树型多链的无线传感器网络路由算法。

1经典分簇路由算法分析1.1LEACH算法LEACH算法将全网节点分成几个簇[8⁃9]，簇内能进

DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2022.04.011引用格式：方旺盛，彭美平，胡中栋.分区域的树型多链的无线传感器网络路由算法[J].现代电子技术，2022，45（4）：55⁃60.

分区域的树型多链的无线传感器网络路由算法方旺盛，彭美平，胡中栋（江西理工大学信息工程学院，江西赣州341000）

摘要：针对PEGASIS算法形成的链路太长、维护成本太高，COSEN算法形成的链路存在交叉链、数据逆传递等缺陷，文中提出分区域的树型多链的无线传感器网络路由算法。该算法首先根据数据的相关性将全网区域分成若干个长条状的区域，在每个区域中节点根据它们之间的距离和角度连接成一条链，若有交叉链，删除交叉链中较长的那条链。成链过程中会产生孤立节点，若是分区域内的孤立节点，则根据它们之间的距离和角度及支链中的节点数连接到链中；若是区域外的节点，寻找已经成链的最近节点连接到链中，形成分区域的树型多链结构。最后各分链的链头以单跳和多跳相结合的方式与sink节点通信。仿真结果表明，文中算法可有效避免长链的形成，能够节省全网节点能耗，减小数据传输时延，延长无线传

小型微型计算机系统Journal o f Chi nese Co m puter Sy stem s2010年9月第9期V o l 31N o .92010收稿日期:2009 04 11 收修改稿日期:2009 09 29 基金项目:国家 八六三 高技术研究发展计划重大项目(2007AA041201)资助;国家自然科学基金项目(50674010)资助;国家 八六三 高技术研究发展计划项目(2007AA 04Z169)资助. 作者简介:王 沁,女,1962年生,教授,博士生导师,CC F 高级会员,研究方向为无线传感器网络、计算机系统结构;万亚东,男,1982年生,博士研究生,CC F 会员,研究方向为无线传感器网络;段世红,女,1978年生,讲师,研究方向为无线传感器网络;张晓彤,男,1968年生,博士,CCF 高级会员,研究方向为嵌入式系统.一种高可靠无线传感器网络自适应跳频算法王 沁,万亚东,段世红,张晓彤(北京科技大学信息工程学院,北京100083)E m ai:l w anyadong82@摘 要:对于复杂恶劣环境的无线传感器网络应用,多数协议采用跳频提高网络的抗干扰能力和安全性.广泛使用的IEEE802.15.4标准在2.4GH z 频段提供了16个频道,有效的支持了跳频通信的设计.但是,跳频通信的可靠性和链路的特征有着密切的关系,本文通过对复杂室内环境(工厂,实验室)无线通信特征的测试和分析发现,链路具有时变性,同时在一段相当长的时间内具有稳定性,因此本文针对复杂室内环境链路特征提出了一种自适应跳频方法,该方法通过评估当前频道的链路质量,只在频道的链路质量超出允许范围时进行跳频.仿真和测试结果表明,相比于多数工业应用采用时隙跳频方法,自适应跳频的可靠性提高了10%~16%,是一种有效的可靠性设计方法.关键词:无线传感器网络;自适应跳频;可靠性;频率分集中图分类号:T P393 文献标识码:A 文章编号:1000 1220(2010)09 1735 07Adaptive Frequency H opping M et hod for H igh ReliableW ireless Sensor NetworksW ANG Q i n ,W AN Y a do ng,DU AN Sh i hong ,ZHAN G X i ao tong(School o f Infor m a ti on En gi n eeri ng,Un i ver sit y o f Science and Technology B eiji ng,Beiji n g 100083,C h i na )Abstrac t :In o rder to i ncrease the trans m itti ng re liab ility for the w i re l e ss sensor ne t w o rk app licati on i n com p lex and ha s h env iron m en,t frequency hopp i ng is o ften adopted to i m prov e the an ti i nterference ab ility .T his paper m easured and analyzed t he 2.4G hz IEEE802.15.4li nk character istics i n facto ry and lab env iron m en,t and based on t he re s u lts ,an adapti v e frequency ho pping m e t hod w as pro po s ed to m eet high reli ab ilit y requirem ents i n com p l ex i ndo or appli ca tions .T he i m p l em entati o n o f t he a lgo rith m on IEEE802.15.4M A C w as g i ven ,and t he si m ulati on and te sti ng results com pared w it h sl o tt ed ho pp i ng s how tha t t he new m etho d ha s i ncreased the comm un icati on re liab ility by 10%~16%.K ey word s :w ire l e ss s enso r net w o rk ;adapti v e frequency hoppi ng ;re liab ility ;frequency diversity1 引 言传感器网络的应用越来越广泛[1,2],但是由于其在可靠性、实时性等方面的制约,在复杂室内环境如工厂车间等领域的应用还没有得到大规模的展开.无线传感器网络通常面临恶劣的应用环境,链路的可靠性容易受到干扰[3],因此网络的高可靠性设计是推动无线传感器网络大规模应用的重要因素.无线传感器网络高可靠设计技术可以分为以下三种[4]:(1)时间分集,时间分集主要采用TDM A 接入方法,避免节点之间的相互干扰,并采用重传提高网络可靠性.(2)多路径技术,多路径技术通常采用M ES H 网络结构,提高链路冗余度,在当前链路失效的情况下采用备份链路传输,或者采用多路径并行传输以提高网络的可靠性.(3)频率分集.大量研究表明无线链路存在频率差异[3],多频道冗余不但可以提高可靠性,而且具有更好的安全性,例如,基于IEEE802.15.4[5]的Z i g bee 协议[6]因其全网使用单一频道而不适用于复杂环境,改进协议Z i g beePro 引入了跳频方法以满足复杂环境应用的可靠性需求.频率分集是M A C 层可靠性设计的重要方法,很多研究表明多频道相比单频道可以提高可靠性[3,7,8],但频率分集的具体实现方法不同,因此产生了多种多频道接入M AC 协议,但无论采用哪一种频率分集方法,频道的信道特征是一个不可忽略的因素.本文通过实验测量,对典型室内环境中IEEE802.15.4射频的16个频道的信道特征进行分析,发现信道质量在时间上和频道间存在很大差异,单纯使用任何一个频道都不足以满足可靠性的要求,因此本文提出了一种自适应跳频方法,针对信道质量的变化调整通信频道,以满足高可靠通信的需求.2 相关工作单频道无法满足网络系统容量和可靠性的需求,因此产生了多频道协议设计.文献[9]将频道分配方法划分为4种:(1)专用控制频道分配.(2)固定频道分配.(3)两阶段频道分配.(4)并行跳频频道分配.专用控制频道分配需要节点具备两个射频模块,其中一个专门用于跳频频道的协商,采用该种方法的典型协议为D CA [10].固定频道分配方式为每条链路分配一个频道,并一直使用该频道进行数据传输直到传输完成,采用该方法的多频道接入协议包括基于C S M A 的M M SN [11]、TM C P [12]以及基于TDM A 的M C LM A C [13]、T F M AC [14]等.分阶段的跳频将频道接入划分为两部分:频道控制部分和数据传输部分,数据传输阶段采用频道控制时段协商的频道进行通信,分阶段多频道接入协议包括M M A C [15]、TM M A C [16]等.并行跳频充分利用频道资源,为每次数据通信分配一个频道,所有的节点都处于跳频状态,并根据跳频序列确定下一次数据通信的频道.典型的协议包括M c M ac [17]以及D ust N et w o rk 提出的T SCH [18].T SCH 已被工业无线传感器网络标准草案w ire less HA RT [19]采用,在M AC 层采用时隙跳频提高可靠性,并用TDM A 避免冲突、提高数据传输延迟的确定性.ISA SP100.11a [20]采用慢跳频(S l ow hopp i ng )和时隙跳频(S l o tted hoppi ng )相结合的方法,时隙跳频在每个TDM A 时隙(通常为10m s)上进行跳频,通过跳频序列和频道偏移量来确定每条链路的下一个频道.慢跳频将一组时隙作为跳频时间段,长度通常为250m s .时隙跳频和慢跳频认为信道质量的变化是完全随机的,信道变化剧烈且不可预知,因此采用均匀访问频道的方法进行跳频.时隙跳频和慢跳频在跳频序列的设计上主要针对802.11同频段干扰做了优化,但其对硬件和时钟同步的要求比较高,而且在信道比较可靠的情况下跳频增加了系统复杂性.自适应跳频方面,大多研究基于无线个域网(W PAN s)设计自适应跳频算法,U.M e i e r [21]在复杂工厂环境中对基于蓝牙的无线传感器网络进行了测试,并指出由于蓝牙采用自适应跳频、纠错等技术,在距离小于30m 的情况下可以达到非常高的可靠性.文献[22]提出了一种E A FH 跳频方法提高无线个域网的抗干扰能力,EA FH 利用包错误率判断信道状态并对信道进行取舍.文献[23]提出了一种动态自适应跳频方法DA FD 以避免W PAN s 之间的相互干扰.文献[24]对基于多信道M A C 协议在无线传感器网络中的应用进行了总结.文献[25]提出了一种多频道节能M A C 协议,文献[26]提出了一种采用功率控制的多频道协议DCA PC ,两者都通过分布式协商分配频道;文献[27]为DM A C 协议增加了多频道接入功能,文献[28]介绍了一种基于簇的多频道M A C 协议,每个节点配置有3个收发模块,由簇头和簇成员共同完成频道分配.通过对工业现场链路特征的测试和分析,我们发现信道不仅会受到同频设备的干扰,而且自身也随环境发生变化,但信道的变化不是完全随机的,在相对较长的时间内(远大于250m s)具有一定的稳定性.因此我们利用信道特征进行跳频设计,以尽可能的提高网络可靠性.3 链路特征典型的复杂室内环境为工厂,信道质量容易受到外界环境的干扰,大量研究工作[29 31]表明,链路的可靠性存在灰色区域,灰色区域以外,链路具有良好的稳定性.我们用丢包率表示链路可靠性,在工厂环境和易受人员干扰的实验室环境对I EEE802.15.4链路进行了测试,测试结果如图1所示,横轴为时间,纵轴为不同频道上的PDR.图1 复杂室内环境下不同频道的链路质量F i g.1 L i nk reli ability i n com plex i ndoo r env i ron m en ts从测试结果可见:(1)链路的丢包率在不同的频道上具有很大的差异,即信道质量存在频道差异,比如图1(a )中的频道ch 1(即IEEE802.15.4频道11)链路丢包率小于5%,而频道ch 12的链路丢包率则大于90%.(2)信道质量具有时变特征.从图1可以看到,丢包率随时间发生变化,在丢包率较高和较低的频道,丢包率随时间的变化比较小,而在丢包率处于中间范围的频道随时间的变化比较大.(3)信道质量存在突然变化的情况,比如图1(b)的频道1736 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年ch 13、ch 14,信道质量发生突变,丢包率从小于5%上升到大于90%,一段时间之后,又降低到5%以下.(4)各个频道上丢包率的变化具有一定的相关性,如图1(b)中的频道ch 7和ch 8,频道ch 13和ch 14等.(5)从测试时间上看,信道质量在白天和夜晚表现出不同的特征,工厂环境和实验室环境下夜间比较稳定,白天受到的干扰比较大.从上述特征可以看出,信道质量的变化并非是完全随机的,而是具有一定的规律,这种规律在不同的环境具有一定的图2 丢包率和LQ I ,R SS I 之间的关系F i g.2 T he relati o ns h i p o f PDR,LQ I and R SS I普遍性,而且信道质量可以通过丢包率、LQ I 等进行检测,如图2,图2(a)是图2(c)的丢包率所对应的LQ I 和R SS I 值,图2(b)是图2(d)的丢包率所对应的LQ I 和R SSI 值.从图中可以看出,LQ I 和丢包率具有很强的相关性,可以较好的预测信道变化,文献[27]也给出了类似的结论.4 自适应跳频算法从链路特征的分析我们可以看出,采用跳频提高网络可靠性的最有效办法是让节点根据信道状况进行自适应调整,选择当前最可靠的频道进行数据传输.第4节的讨论指出,在信道质量高的情况下链路保持较好的稳定性,所以我们可以对各个频道状况进行监测,采用最优频道在链路层进行数据传输,据此本文提出了一种自适应跳频算法.4.1 自适应跳频算法基础A FH 自适应跳频面向星型分簇网络,节点通过一跳直接图3 拓扑结构F i g.3 T opo l o gy和簇头通信,簇头与簇头之间可以采用树形网络或者网状网络进行连接,如图3所示.由于采用了分簇的星型结构,簇头可以对簇内节点进行集中式管理,便于频道分配,避免分布式管理可能引起的分配冲突.M AC 协议采用工业无线传感器网络W I A PA [32]规范制定的M AC 算法,W I A PA 采用TDM A /C S M A 混合接入模式,支持周期性和非周期性通信并利用频分多信道通信增加网络容量和可靠性.W I A PA 兼容IEEE802.15.4协议并对其超帧进行扩展,如图4所示,将15.4超帧的非活动时间分为簇内传输阶段和簇间传输阶段,采用TDM A 通信,对于星状网络,数据传输只在簇内阶段.IEEE802.15.4超帧的CA P 和CFP 阶段不允许跳频,因此W I A PA 规定在CA P 和CFP 阶段,每个簇独占一个频道,簇内节点在此阶段向簇头发送报警数据或进行数据重传;此阶段也用于诸如网络加入,频道更改等簇内管理.在非活动阶段,采用TDM A 和跳频进行网络容量扩展并提高可靠性.簇头和节点构成一条链路,每个链路各自进行跳频.图4 W I A PA 超帧F ig .4 Superfram e struc t ure o fW I A PA通常跳频采用时隙跳频方法,即根据一个预定的跳频序列在每个时隙上进行跳频,而不考虑频道本身的状况.自适应跳频只在信道变坏的时候进行跳频,否则会稳定在一个可靠的频道.4.2 自适应跳频算法A FH 跳频是一种两阶段方法,算法由4部分组成,包括信道收集、信道评估、频道调整、黑名单频道检测.4.2.1 信道收集在网络形成时,簇头首先进行能量扫描并确定一个可用频道,然后在该频道发送BEACON.每个簇内节点加入时都需要进行信道扫描,通过BEACON 和簇头同步并汇报自己的信道扫描结果,此时簇头可以给每个节点分配信道.网络形成之后,节点和簇头各自对每条链路使用的信道进行统计,节点周期性的将其统计结果发送到簇头.4.2.2 信道评估信道质量的评估指标为丢包率.簇头和节点对通信丢包率进行计算,并采用如下规则评估信道.(a)计算当前x 次传输的丢包率r x .(b)如果丢包率r x !阈值 ,继续使用当前频道.(c)如果丢包率r x >阈值 ,或者前x 次传输的丢包率r x -1> 且r x < ,则继续利用该信道传输y 次,计算丢包率r y ,判断r x -1、r x 、r y 之间的关系,如符合图5的011、111、101中的一种,则需切换信道.评估指标可以用平均LQ I 代替.4.2.3 频道调整当信道变坏时,簇头和节点通过频道调整切换到新的频道.由于无线通信不可靠,频道的调整可能会使得节点和簇头的频道跳转不一致,因此需要对频道切换进行保护.首先,频17379期 王 沁等:一种高可靠无线传感器网络自适应跳频算法道切换滞后生效,为簇头和节点提供充分的可靠通信机会.其次,采用备用频道方法,当簇头和节点都不能确定对方是否切换了频道时,同时转换到I EEE802.15.4CA P 和CFP 的频道,以确保信道的同步跳转.簇头:如果需要切换到新频道,簇头形成频道切换数据包,其中包括节点地址、相对时隙号、时隙长度、新频道、生效时间,并在下一次BEA CO N 中进行广播.如果簇头没有收到节点的状态报告,则在下一次BEACON 中继续广播.当生效时间到,如果簇头收到了节点的状态报告,则采用新频道,否则采用备用频道.图5 频道切换判断规则F ig .5 E va l uati on regu l a tion节点:节点接收到BE A CON 之后,记录与自己相关的信道切换信息,并标明信道暂时无效.节点通过数据请求通知簇头已成功接收到频道切换信息.在生效时间到达之前,若接收到簇头的ACK,则认为切换成功;若在新的BEA CO N 中不带有本节点的频道信息,也认为切换成功.否则,在生效时间到达时采用备用频道.4.2.4 黑名单频道检测当前频道的信道质量检测通过簇头和节点的正常数据通信即可完成,当当前使用的信道变差时,簇头和节点将该频道放置到对应于该链路的黑名单中.由此引发了一个问题,即一条链路所能使用的频道会越来越少.因此必须对黑名单中的频道及时进行检测,以便将其从黑名单中剔除.本文采用轮换频道方法进行检测.CA P 和CF P 的频道会周期性的进行轮转,如果CA P 和CFP 当前适用的频道变坏,同样进行切换.通过对CA P 和CFP 阶段使用频道的信道质量评估,可以将已变好的频道从黑名单中剔除,重新使用,保证网络的容量.4.3 基于IEEE 802.15.4M AC 的实现从4.2节的算法描述,结合W I A PA 和IEEE802.15.4标准,算法的实现需要设计信道状态的收集机制以及频道的调整方法和数据帧格式.4.3.1 BE A CON 的数据结构为实现自适应跳频的黑名单信道监测,需要在CA P 和C FP 对不同的频道进行测试.CA P 和CFP 的频道切换通过表1 BEA CO N 数据负载格式T able1 Fo r m a t o f BE A CO N pay l o adBEACON pay loadCAP /CFP I n fo .TDM A S l ot In fo .(vari ab l e)1byte 1byte 1by te 1by t e 1by t e 1byteActive T i m e N ex t C hannelT i m e S l o t S tart S l o tL eng t hC hannelBEA CO N 命令帧进行通知.在TDM A 传输阶段,簇头需要对节点使用时隙的频道进行调整,调整信息也通过BE A CON 命令发送到节点.BEACON 命令帧负载部分的数据格式如表1.其中A cti v eT i m e 表示从当前BEA CO N 开始,经过A c tiveT i m e 个周期以后切换频道,A cti v eT i m e 在每发送一次B eaco n 后减1.N ex t C hanne l 表示下一次要切换的频道编号.T i m e ,S l o t S tar,t S lo t L eng th ,Channe l 以及BEA CO N 帧中的A d dre ss L ist 构成一个五元组,用于表示节点在某段时隙使用的频道及频道的生效时间.BEACON 的数据负载中带有的节点频道切换信息个数以及节点的地址由BEACON 的P endi ng A ddress Spec ificati on 域指定.当簇头需要调整CA P 、CFP 频道信息时直接在BEACON 中添加A ctiveT i m e 和N ex t Channe ,l 节点在接收到BEACON 之后记录频道并在生效时间到时切换频道.TDM A 传输阶段的频道切换流程图如图6所示.BEA CO N 中捎带频道的切换信息,节点通过Pend i ngA ddress 确定是否有自己的频道切换信息并通过数据请求进行确认.簇头在收到节点的数据请求之后在生效时间到达时切换到新频道,节点在接收到簇头回复的A CK 之后在生效时间到达时使用新的频道.图6 频道切换数据交互流程F ig .6 M assag e f l ow o f chang ing channe l4.3.2 状态汇报命令状态汇报实现节点频道质量信息收集之后到簇头的传输问题,用以解决由于链路的不对称导致簇头和节点的收集不完整.状态汇报采用一个新的命令帧,其数据结构如表2.表2 状态汇报命令帧格式T ab l e 2 F ra m e fo r m at o f channe l quality repo rt1byte V ari ab le L i nk S t atus D es cri p t or C ountL i nk S t atus L ist1by t e 1byte 1byte C hann elavgLQ IavgPDR图7为状态汇报命令的信息交互流程,节点周期性的向图7 频道质量汇报数据交互流程F ig .7 M ass ag e f l ow o f channe l quality repo rt簇头发送频道质量汇报命令,其中包括节点所使用的每个频道的平均LQ I 值和平均丢包率.1738 小 型 微 型 计 算 机 系 统 2010年5 仿真及测试结果本文对自适应跳频和时隙跳频进行了仿真分析,并在实验室环境和工厂环境分别进行了测试.5.1 算法仿真结果5.1.1 仿真参数设置.在仿真中我们构造一个星形网络,1个簇头,8个节点,每个节点在超帧中只进行一次传输,无重传.时隙跳频的跳频序列为16个频道的随机序列;自适应跳频的丢包率阈值为30%,当需要进行频道切换时,随机选择跳转频道,每次跳转的生效时间为10个超帧单位之后.仿真信道模型通过工业现场的16个频道实际数据构造.时隙跳频认为频道的状态变化迅速,因此用快速跳频避免频道可靠性的降低;自适应跳频在同样的频道集合上运行,仿真中随机选择跳转频道.两者基于相同的信道环境,因此方法上具有可比性,若自适应跳频每次选择质量最好的频道,并降低丢包率阈值,则可以获得更好的可靠性.5.1.2 仿真结果.自适应跳频(A FH)和时隙跳频(FH)的可靠性仿真结果如表3所示.表3 自适应跳频和时隙跳频的可靠性比较T ab le3 S i m ulation results o f FH and A FH 节点12345678FH84.484.484.484.484.484.484.484.4AFH98.196.994.598.095.410094.598.4AFH跳频序列86,812891511,16,138仿真结果表明,时隙跳频的可靠性比较均匀,原因是8条链路在所有的频道上均匀跳频,理论可靠性是16个频道可靠性的均值.而自适应跳频在不同的链路上具有不同的可靠性,原因在于不同的链路选择的频道不同,某些频道本身具有较好的可靠性,如表3中的ch 8,ch 9,而当链路质量变坏时,链路切换到其它频道通信,避免当前频道对链路通信产生影响,因而较时隙跳频具有更好的可靠性,如表3的节点2,节点7等.总之,时隙跳频的可靠性比较均匀,在跳频维护上比较简单,但因使用了非可靠信道从而降低了可靠性,同时也需要严格的时钟同步;自适应跳频的频道切换控制增加了一些网络负担和调度复杂度,但是对于可靠性而言具有较大的提高,是一种有效的可靠设计方法,表3的数据表明其可靠性相比时隙跳频提高了10%~16%.5.2 算法测试结果5.2.1 实验室环境测试我们在实验室环境对自适应跳频和时隙跳频进行了对比测试,实验采用2个M ica Z节点构造一条链路,一个作为发送节点,一个作为接收节点.发送节点首先和接收节点分别在16个不同的频道上进行16次数据通信,然后在一个预设的频道i上进行16次数据通信,定义这样的过程为一个事务;以20次事务为单位对16个频道的丢包率以及频道i的丢包率进行统计,并根据自适应跳频算法中的信道评估准则对频道i的链路质量进行判断;丢包率阈值设为10%;如果需要调整频道,则选择16个频道中丢包率最小的频道作为新频道.实验室环境自适应跳频和时隙跳频的可靠性测试结果如图8所示.图8 实验室A FD和FH可靠性测试结果F ig.8 Experi m enta l result o f L ab.图8的测试结果表明,实验室环境中自适应跳频比时隙跳频具有更高的可靠性,由于实验在夜间,频道比较稳定,因此时隙跳频的可靠性比较均匀.而链路经过自适应跳频的初期频道调整稳定在一个可靠性较高的频道.初期信道调整的过程如图9所示.图9 实验室AFH跳频时刻和跳频序列F i g.9 A FH ho pp i ng ti m e and sequence图9表明,A FH的初始频道为ch 11,依次跳到ch 25,ch 26,ch 12.在2时刻,当频道ch 11的前320次数据通信丢包率大于10%且当前320次数据通信丢包率也大于10%时,根据自适应跳频算法,选择16个频道中在2时刻丢包率最小的频道ch 25作为新频道(ch 26和ch 25具有相同的丢包率,算法选择编号最小的信道);在2时刻,采用频道ch 25通信的丢包率仍然大于10%,根据算法在3时刻选择丢包率最小的信道ch 26;随后ch 12频道具有高可靠性,选择频道ch 12为该链路的通信频道.5.2.2 工厂测试我们在北京科技大学试验工厂做了同样的测试,工厂环境和测点的布放如下页图10所示.测试结果如下页图11所示,由图可以看出,由于工厂环境链路容易受到干扰,时隙跳频的可靠性随时间的变化比较明显,而自适应跳频则保持较高的可靠性,采用ch 11作为通信频道,链路比较可靠.C h 11的包接收率在不同的时间上有17399期 王 沁等:一种高可靠无线传感器网络自适应跳频算法抖动,但因A FH 丢包率小于给定阈值10%,因此不进行信道调整.同样从图11可以看出,时隙跳频中计算出的丢包率和图10 工厂测试环境F i g.10 E xpe ri m ent env iron m en t o f schoo l fac t o ry 自适应跳频计算出的丢包率不同,原因在于前者统计单位为20次数据传输而后者的统计单位为320次,且两者不是并行统计,但是时隙跳频的丢包率已可以为频道选择提供有效的评判依据.图11 工厂可靠性测试结果F ig .11 Exper i m en tal resu lt i n scho o l facto ry6 结 论本文针对工业环境下无线传感器网络的特征,通过对IEEE802.15.4链路在复杂室内环境下链路质量随时间和频道变化特征的分析,提出了一种基于链路特征的自适应跳频方法,并在I EEE802.15.4M A C 的基础上给出了算法的实现.该方法根据链路质量的时变特征选择最佳频道跳频,仿真和实际测试表明,相比常用的时隙跳频算法,该算法有效地提高了链路可靠性,是无线传感器网络中可靠设计的一种有效方法.R eferences :[1]J ohannes G ehrk e ,L i u L i ng .G uest ed it o rs ∀i n t roducti on :s en s o rnet w o rk appli cati ons [J]I EEE In ternet C o m pu ti n g ,2006,10(2):16 17.[2]B runo S i n opo l,i C ourt ney Sharp ,et a.l D i stri bu ted con tro l appli cation s w ith i n sensor net w ork s [J].Proceed i ngs o f IEEE Special Is s ue on D istri bu t ed S ensor N et w orks ,2003,91(8):1235 1246.[3]Sex t on D,M ahony M ,Lapins k iM ,et a.l Rad i o channel qualit y i ni ndustri a lw ireless sen s or n et w o rks [C ].In :Proceed i ng s o f S en s o rs for Industry C on ference .Piscat aw ay ,N J 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无线传感器网络中基于分簇广播认证协议方案黄刚;王汝传;许一帆【摘要】认证机制是无线传感器网络安全机制关键技术之一.文给出了无线传感器网络的层簇式结构,分析了无线传感器网络的广播认证协议.在此基础上提出一种基于分簇的广播认证机制N-μTESLA方案,设计了广播和组播认证协议.仿真结果表明所提出的方案与μTESLA方案相比,可以减少节点的能量消耗,使网络的生存周期延长.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2010(042)001【总页数】5页(P72-76)【关键词】无线传感器网络;广播认证;分簇;协议【作者】黄刚;王汝传;许一帆【作者单位】南京邮电大学计算机学院,南京,210003;南京邮电大学计算机学院,南京,210003;南京邮电大学计算机学院,南京,210003【正文语种】中文【中图分类】TP393无线传感器网络(Wireless sensor networks,WSN)是由部署在一定监测区域内大量的传感器节点组成,通过无线通信方式传递数据的多跳自组织的网络系统。

由于无线传感网对安全的特殊需求和无线传感网节点能力的局限性,其安全认证已成为当前研究的热点和难点。

在 WSN的安全机制中,无线传感网节点间的控制信息安全认证直接关联到部分节点甚至全网节点的工作内容和工作效能。

传统的广播认证协议依赖于非对称的数字签名,不适用于无线传感网。

目前无线传感网控制信息认证采用的是基于广播数据源认证机制的μTESLA协议。

μTESLA协议单一的密钥链导致基站保存过长的密钥链,有时需要多次重构密钥链,这给网络带来了负担。

本文对现有的广播认证方案进行分析,提出一种基于分簇的广播认证机制N-μTESLA,节省了密钥的使用量,延长了网络的生存期,扩展性更好。

1 无线传感器网络的层簇式结构无线传感器的网络结构主要分为分布式、层簇式两大类[1]。

当无线网络规模较大的时候,可以采用聚类分层的管理模式即层簇式的体系结构。