無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化研究

【摘要】 隨著我國通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)使用的日趨廣泛，在應(yīng)用當(dāng)中能夠采用單一的信道進(jìn)行通信，并且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是在相同的頻率下進(jìn)行傳輸，但是這種方式存在一定缺陷，而使用多信道通信則能夠提高網(wǎng)絡(luò)通信資源的利用率，提高系統(tǒng)抗干擾能力。本文主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化研究進(jìn)行了分析，從而表現(xiàn)我國網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù) 通信技術(shù)

隨著集成電路技術(shù)的不斷演進(jìn)與完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)資源、能源的節(jié)約，實(shí)現(xiàn)芯片等成本的降低，使無線鏈路變得安全、可靠。為此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠在諸多領(lǐng)域中應(yīng)用，比如，軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等。下面就對(duì)其技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行研究。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道通信技術(shù)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中，單一的信道節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行無線電波的傳輸，節(jié)點(diǎn)之間不易產(chǎn)生干擾，并能夠?qū)⒃肼暯档?。下圖1表示的是無線信號(hào)的節(jié)點(diǎn)活動(dòng)方式，節(jié)點(diǎn)D、F在一跳范圍內(nèi)，能夠同時(shí)進(jìn)行通信，并不會(huì)產(chǎn)出干擾。而隨著芯片的廣泛使用，多信道得到了發(fā)展。如下圖2所示，在多信道條件下，一跳中的信號(hào)節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行統(tǒng)一的通信，并不會(huì)產(chǎn)生干擾。比起單一信道，多信道通信能夠?qū)崿F(xiàn)大量網(wǎng)絡(luò)信息的保留與傳輸[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中使用多信道通信在信道發(fā)生干擾以后，依然能夠正常實(shí)現(xiàn)通信。

1.1多信道MAC協(xié)議

多信道通信當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)利用多個(gè)信道內(nèi)的資源，并采用分布式分配方法，分布式分配較為簡(jiǎn)單，并且不用單獨(dú)劃分管理者，擴(kuò)展方便，實(shí)現(xiàn)了全局的優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)具有隨機(jī)效果，而多信道通信下能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信道節(jié)點(diǎn)的選擇，降低了協(xié)議的復(fù)雜性。

1.2信道頻普感知

因?yàn)闊o線傳感器在進(jìn)行多信道通信過程中，要想較少信道干擾，就要具有頻譜感知效果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信能夠使用ISM頻率段進(jìn)行通信，并且應(yīng)用這種公用頻段在傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行當(dāng)中能夠變得方便?？梢栽谛诺揽沼鄷r(shí)通過使用信道資源實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

1.3安全同步

時(shí)間的同步協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信當(dāng)中的一個(gè)重要組成，在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，都需要借助時(shí)間同步，比如，目標(biāo)的設(shè)定、跟蹤、信息的查詢等，并且時(shí)間同步協(xié)議也是通信協(xié)議中最為基礎(chǔ)的內(nèi)容[2]。為此，要能夠從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性方面考慮并設(shè)定時(shí)間同步協(xié)議，這是多信道通信能夠穩(wěn)定運(yùn)行的前提。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)

以 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為例，IEEE802.15.4是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠在一個(gè)POS中實(shí)現(xiàn)無線通信的設(shè)備集合。功能設(shè)備與精簡(jiǎn)的設(shè)備要共同使用、運(yùn)作，采用RFD相關(guān)聯(lián)設(shè)備，PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器能夠?qū)崿F(xiàn)成員身份的確認(rèn)、信息的管理以及分組形式的轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)其能夠有效供電，適合在家庭中計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備中使用。該標(biāo)準(zhǔn)的特征是任意兩個(gè)設(shè)備之間能夠進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)跳躍式的數(shù)據(jù)傳輸，為此，適合在工業(yè)檢測(cè)控制中使用?？梢?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)化研究是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，相比其他標(biāo)準(zhǔn)更有效率。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并行協(xié)商多信道MAC協(xié)議

MAC協(xié)議能夠?qū)Y源進(jìn)行充分利用，在多個(gè)信道上進(jìn)行通信，能夠?qū)⒏蓴_降到最低，使性能增強(qiáng)。分段的跳頻信道在分配上分為協(xié)商時(shí)段與通信時(shí)段，當(dāng)處于協(xié)商時(shí)段時(shí)，通信節(jié)點(diǎn)信道能夠進(jìn)行協(xié)商，而對(duì)應(yīng)的通信時(shí)段能夠切換到選擇好的信道上進(jìn)行通信，在完成了通信后，就可以返回到控制的信道上，分階段的信道切換能夠在不同的信道上進(jìn)行通信，但是卻過于依賴控制信道，導(dǎo)致所有的協(xié)商都需要集中到控制信道中，容易使信道出現(xiàn)飽和狀態(tài)，并且控制信道容易出現(xiàn)干擾，降低了整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性與穩(wěn)定性。基于上述不足，研究人員設(shè)計(jì)出了并行協(xié)商MAC協(xié)議，該協(xié)議能夠劃分出若干個(gè)時(shí)間片段，并且每一個(gè)時(shí)間片段都能夠組成一個(gè)特定的超幀[3]，可以在超幀上選擇一個(gè)時(shí)間段完成信息接受。這種并行的協(xié)商MAC協(xié)議優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：能夠減少節(jié)點(diǎn)消失現(xiàn)象，在RTMAC協(xié)議中，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以及接收節(jié)點(diǎn)會(huì)處在一個(gè)時(shí)間片段中，在完成了一個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送以后，就要等下一個(gè)超幀，在蘇醒期，不同時(shí)間片就可以進(jìn)行信息發(fā)送，避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)消失問題。此外，還具有降低通信開銷優(yōu)勢(shì)，偽隨機(jī)序列能夠?qū)AC作為地址種子，通過隨機(jī)算法產(chǎn)生。這樣一來，其他節(jié)點(diǎn)只需要獲取MAC地址就可以。

四、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道頻譜感知

4.1無線認(rèn)知傳感器網(wǎng)絡(luò)

一般來說，未經(jīng)授權(quán)的頻段會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)擁擠的現(xiàn)象，并且能夠分配給無線系統(tǒng)中的頻譜在時(shí)間上與空間上都能呈現(xiàn)出不同程度的閑置現(xiàn)象，著就形成了“頻譜的空洞”現(xiàn)象[4]。但是充分利用這些閑置的資源，卻能夠?yàn)槎嘈诺劳ㄐ盘峁┛衫玫馁Y源，并且，在接入了這種動(dòng)態(tài)的信道以后，會(huì)與傳感器的網(wǎng)絡(luò)事件驅(qū)動(dòng)相適應(yīng)。無線認(rèn)知傳感器逐漸出現(xiàn)在人們的視野當(dāng)中，對(duì)其的研究也在增多。無線認(rèn)知傳感器在應(yīng)用到了無線傳感網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中以后能夠使人更好的感知到周圍的環(huán)境變化，并且在通過調(diào)整其工作狀態(tài)的參數(shù)以后，能夠達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。應(yīng)用這種無線電頻譜感知技術(shù)能夠感知到無線信道工作時(shí)的狀態(tài)，對(duì)多信道進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，才能使通信資源消耗率降低，通信變得可靠。

4.2協(xié)作頻譜感知技術(shù)

頻譜的感知技術(shù)作為無線電中的一項(xiàng)重要技術(shù)，在構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)方面有重要意義，也是用戶能夠有效利用信道資源的前提。按照不同感知節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，頻譜的感知技術(shù)可以分為單節(jié)點(diǎn)的感知以及協(xié)作方式的感知。單節(jié)點(diǎn)的感知能夠?qū)δ芰窟M(jìn)行檢測(cè)，并且匹配的濾波平衡感知方式是對(duì)單節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的主要手段。能量的檢測(cè)在方法上以及計(jì)量上有優(yōu)勢(shì)，不需要對(duì)信息進(jìn)行檢驗(yàn)[5]。但是，在檢測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生一定程度的噪音，不能對(duì)檢測(cè)信號(hào)或者是干擾信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。這種檢測(cè)方式的缺點(diǎn)是需要計(jì)算的內(nèi)容非常多，并且在檢測(cè)信號(hào)時(shí)要先對(duì)特征信息進(jìn)行驗(yàn)證。為了使頻譜的檢測(cè)靈敏度提升，減少檢測(cè)的時(shí)間協(xié)作頻譜感知應(yīng)運(yùn)而生。

4.3基于DCN協(xié)作頻譜感知

DCN協(xié)作頻譜感知存在優(yōu)勢(shì)：在這種協(xié)作頻譜的感知下，基于Wisart當(dāng)中的矩陣DCN能夠被準(zhǔn)確并清晰的構(gòu)建出來，這樣能夠大大提高檢測(cè)的性能與效率，非常適合在噪聲較大的環(huán)境中使用；按照函數(shù)分布的系數(shù)矢量，可以構(gòu)建出一個(gè)隨意維度的DCN函數(shù)表達(dá)式，這種表達(dá)式非常簡(jiǎn)潔，并且較為準(zhǔn)確。應(yīng)用這種表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算能夠及時(shí)、快速的計(jì)算出閾值，提高了協(xié)作式頻譜的感知；隨意維度的DCN函數(shù)協(xié)作式頻譜感知系統(tǒng)的構(gòu)建，對(duì)于傳感器的節(jié)點(diǎn)沒有過多的限制，非常適合在系統(tǒng)當(dāng)中使用[6]。

五、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)時(shí)間同步協(xié)議

5.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全分析

隨著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行當(dāng)中資源的浪費(fèi)逐漸增多，降低能耗對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行來說是非常重要的事情，并且，在工業(yè)、物流、軍事、科技等方面無線傳感器都得到了廣泛利用。其中，無線傳感器在網(wǎng)絡(luò)安全方面的需求表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1、機(jī)密性。機(jī)密性就是指沒有經(jīng)過授權(quán)的人員不能隨意獲取到相關(guān)信息。因?yàn)闊o線傳感器在傳輸信息時(shí)會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)信號(hào)不能完全接收的現(xiàn)象。為此，對(duì)于一些機(jī)密性的信息可以進(jìn)行物理攔截，平常人不能隨意獲取。對(duì)于商業(yè)機(jī)密、工業(yè)機(jī)密以及軍事機(jī)密等的保護(hù)有重要意義。2、完整性。無線傳感器在信息傳輸中，信息是能夠被篡改的，但是機(jī)密性的信息不能隨意外泄。但是有很多非法入侵者有破譯加密的能力，依然能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行改動(dòng)。但是，完整性卻能夠確保信息的接受者獲得完整的信息，一旦信息出現(xiàn)了篡改，接收者會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

5.2無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)時(shí)間同步協(xié)議

FTTSB可以采用分布式的運(yùn)算方式，并且在諸多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，時(shí)間同步消息能夠被同步交換、接受，能夠?qū)r(shí)間的偏轉(zhuǎn)率大大降低，從而實(shí)現(xiàn)同步協(xié)議的目的。在出現(xiàn)了入侵形式的檢測(cè)以后，F(xiàn)TTSBP會(huì)分為攻擊檢測(cè)、系數(shù)形成、時(shí)間校驗(yàn)等部分。下圖表示的是具體結(jié)構(gòu)圖。

FTTSP協(xié)議的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1、采用分布式的計(jì)算方法，不用考慮過多的參考節(jié)點(diǎn)，并且即使是單個(gè)節(jié)點(diǎn)在效益上降低了，也不會(huì)影響到整體網(wǎng)絡(luò)同步。2、節(jié)點(diǎn)晶振頻率能夠在時(shí)間上出現(xiàn)相關(guān)性，按照同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間分布特征，將時(shí)間的估計(jì)值與產(chǎn)生的偏差值作為判斷依據(jù)，這樣在有惡意信息攻擊時(shí)能夠?yàn)槠涮峁┕魴z測(cè)。

FTTSP協(xié)議還能夠接收到不同來源節(jié)點(diǎn)的同步信息，并應(yīng)用隨機(jī)的平均算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這樣能夠使惡意的信息攻擊減少，使信息的精確度提高，實(shí)現(xiàn)了容錯(cuò)的標(biāo)準(zhǔn)?？梢哉f，F(xiàn)TTSP協(xié)議在檢測(cè)惡性攻擊上還是非常有效的。

結(jié)語：本文主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了研究，通過分析可以了解到，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道通信技術(shù)有諸多優(yōu)勢(shì)，并且其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與研究對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)功能發(fā)揮有重要意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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