面向目标感知的无线传感器网络自组织技术

西北工业大学博士学位论文面向目标感知的无线传感器网络自组织技术姓名：王睿申请学位级别：博士专业：模式识别与智能系统指导教师：潘泉20070101面向目标感知的无线传感器网络自组织技术作者：王睿学位授予单位：西北工业大学相似文献(10条)1.学位论文李平传感器网络中对偶密钥建立算法研究2007作为一种新兴网络，无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetworks)将在军事、环境、健康、家庭和其他领域中发挥不可估量的重要作用。较之传统有线网络而言，WSN具有显著不同的特征，如自组织形式的组网特征、节点能耗受限、节点无攻击抵抗能力、以及异常情况缺乏离线反馈机制等。作为一种基础的安全设施，传感器网络的密钥管理问题一直引起了研究者们的广泛关注。本文围绕无线传感器网络的对偶密钥建立问题，探索可伸缩性、密钥路径可确定性、安全及抗毁性等综合性能指标较理想的对偶密钥建立算法。主要包括以下几个方面：(1)全面分析传感器网络的组网特征、安全需求、节点资源等多方面的状况，提出分层结构的传感器网络的安全体系结构；强调WSN中密钥管理的作用、组成及性能指标。(2)借鉴并行处理领域中的容错模型，将节点间由于物理不相邻而无法建立安全链接的情形模拟成容错研究中的“故障链路“情况，提出基于超立方体规则网络模型的分段弱连通性质。与其它弱连通性质所不同的是：1)该性质针对链路而不是节点出现故障的情况，完全以子立方体内是否连通作为判定条件，有效提高参考模型的适用性；2)该性质兼具标识的一致性及判断的本地化等特点，所约定的弱连通性质标识惟一对应连通集团，节点通过有限范围内的信息交换判断所在的集团标识。针对实际部署当中拓扑结构的多样性，建立标识同构的分段弱连通性质的序列的集合。较之于单一约定的弱连通性质的标识，所描述的可能连通状况能够更逼近实际连通情形。分析基于弱连通序列集合的多态网络，对于两个置换或对调相邻的弱连通序列，理论上分析了与之对应的节点连通集团间的互联的可能性，从而完成了基于分段弱连通性质的多态网络互联特征的完整描述。(3)探讨了一系列的基于超立方体互联网络的节点密钥预置模型以及相应的密钥建立过程。如扩充预置算法、基于k维子立方体分段弱连通性质的密钥建立算法、以及基于位置信息感知的密钥路径建立算法。其中，扩充预置算法在原有基本超立方体模型预置的基础上，合理增加分段长度为3的t分段预置模型，能够显著减小汉明距较长的节点间的密钥路径长度，且具有更强的抗毁性能；基于分段弱连通性质的理论分析，在多态网络中，使用m元组定义节点间的层次连接关系，提出基于弱连通性质多态网络的密钥路径建立框架，相应给出基于k维分段弱连通性质的密钥路径建立算法。该算法具有本地化、可确定性强、本地连通度高的特点；由于在一般的网络应用中可以一定程度上预测节点的可能落地位置，基于此，基于位置信息感知的混合超立方体模型及相应的密钥路径建立算法具有较低的密钥预置要求、较高的直接对偶密钥建立概率、以及抗毁性高等特点。(4)与传统网络不同，WSN领域的研究更关注网络的整体性能。连通分析模型在考察各类预置方案的连通性能方面具有重要的理论意义。给定微观个体节点的本地连通度，随机图模型是分析宏观网络的几何性质的有力工具。由直接对偶密钥建立的两个条件，探讨了域内伯努利随机图适用模型的连通性质和边界条件：针对大规模网络的节点部署，质疑扁平型(flat)随机图分析模型的有效性和可行性，首次提出层次(hirarchical)随机网分析模型并探讨了该模型的的边界效应；性能分析显示基于该分析模型的层次预置模型框架具有较强的适用性和良好的可扩充性。(5)基于层次预置模型框架，采用规则预置和随机预置相结合的方式，提出多有限域内多密钥空间的密钥向量预置算法；高级别节点(如组头、簇头节点等)间通信的安全需求要高于普通节点，为避免这类节点间的密钥路径过分依赖于普通节点的抗妥协强度，提出基于扩环矩阵向量的节点自学习算法，从而使得高级别节点基于已有的知识信息，独自计算出对应的密钥。(6)出于安全性、抗毁性以及良好的本地连通概率等因素的折中和平衡，已有的各种预置方案可能使得实际部署的网络出现彼此孤立的密钥连通集团、或数量不等的孤立节点。对连通集团的关键边缘节点进行了理论分析，提出了信任域内可信节点的委托认证的多点信任模型，构造了基于信任域认证密钥建立协议。较之与其它解耦方式的密钥建立，实验表明新的协议具有良好的抗毁性，能够有效实现孤立集团或节点的连通。2.学位论文吴杰无线传感器网络MAC协议研究2008由于无线传感器网络不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点，引起人们的广泛关注，它在军事监控与环境监测，地震与气候预测以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集技术的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。无线传感器网络介质访问控制(MAC)协议用于决定节点共享的无线信道的分配方式，用来构建传感器网络系统的底层基础结构，对传感器网络的性能有较大影响。无线传感器节点硬件具有功能简单、低成本、低功耗、低数据率、功率小的特点，并且应用于多种复杂环境，同时网络拓扑结构变化快、无中心化，这使得一些传统的MAC层技术难以保证较好的性能。因此，研究对网络环境有一定适应能力的自适应MAC技术具有重要的意义。本文主要针对无线传感器网络MAC协议进行研究。首先通过无线传感器网络的基本概念、体系结构及其独有的特点，分析了无线传感器网络中的限制因素及主要性能指标，对无线传感器网络中与MAC协议相关原理进行了探讨。在这些基本概念和原理基础上，针对当前无线传感器网络中基于竞争的MAC协议的不足，进一步提出一种基于竞争的异步自适应MAC协议：AAMAC。该协议将BMAC的长前导帧转为不连续发送的数据帧，加入了用于反馈的确认帧，并使用了自适应策略，进一步的减少了节点的发送帧数量和节点的工作时间。通过与BMAC的理论分析对比和在NS2上的模拟比较证明，AAMAC缩短了无线传感器网络节点的监听和发送数据的时间，有更好的节能效果并且延时更小。3.期刊论文王权.王睿.梁彦.潘泉.WANGQuan.WANGRui.LIANGYan.PANQuan无线传感器网络的信息收益函数研究-系统仿真学报2007,19(24)信息获取与能量节省的平衡优化是无线传感器网络研究的热点问题,通过信息收益函数可以有效地解决这一问题.然而信息收益函数的性能受到网络特性和算法特性的影响,很难给出较为完备的参数设计、性能评价和选用原则.以动态协同自组织算法在目标跟踪中的应用为例,选取一些典型信息收益函数在此算法下进行分析与仿真,通过设计评价指标,优化参数设计,给出详细的性能评价,并对其鲁棒性进行分析,最后给出应用场合的选用原则,以提高网络的综合性能优化.4.学位论文贾亚坤基于梳针策略的无线传感器网络查询技术研究2009传感器网络是由传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术等多学科高度交叉组成的新兴前沿热点领域，是信息感知、采集和处理的一场革命。无线传感器网络通常具有节点数目庞大、节点密集分布的特点，并在包括国家安全、军事领域、医疗健康、交通管理、环境监测、空间探索、商业等领域有着广阔的应用前景。从监测区域的无线传感器网络中获取用户感兴趣的监测数据是无线传感器网络的主用应用。针对不同的查询要求，分析适合于无线传感器网络局部查询和全局查询的查询路由协议是论文的主要研究内容。论文首先分析了无线传感器网络的国内外研究现状、无线传感器的结构，网络的组成、特点和应用领域、通信协议结构。此外，论文在介绍查询概念的基础上，介绍了查询技术的分类，现有的几种查询技术以及基于查询驱动的三种路由协议。在分析和比较不同的查询技术的基础上，论文在梳针查询的基础上，研究了适合与局部查询和全局查询任务的梳针查询技术。首先，针对局部查询，论文分析基于限制查询数据包传播跳数和限制查询数据包查询扩散距离两种方法以降低梳针查询能耗。相关仿真分析表明，基于限制查询数据包传播跳数和限制查询数据包查询扩散距离在满足局部查询的同时，可以有效减少网络能量消耗。其次，针对全局查询，论文首先分析了LEACH协议的基本工作原理，然后通过借鉴其分层路由的基本思想，在梳针查询中引入分层概念和分簇处理、以及数据融合的的基本方法。相关仿真分析表明，基于分层与分簇处理的梳针全局查询技术可以有效提高通信效率、降低网络能耗、延长了网络的生存时间。论文的有关分析表明，梳针查询技术通过在传感器网络中构建一定的梳针结构，并适当引入约束条件，可以有效满足无线传感器网络的局部查询和全局查询任务。论文的相关工作对于进一步无线传感器网络下的查询技术研究有一定的参考价值。5.学位论文刘永刚基于无线传感器网络的家庭安防系统2009无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，都将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。br　　随着人们生活水平的提高，人们对于家庭安防的要求也越来越高。近年来智能化的家庭安防越来越引起人们的重视。无线传感器网络的分布式、自组织的网络性能和无线通信技术，为实现智能无线家庭安防提供了可能。br　　论文研究的主要内容：br　　设计了一种基于无线传感器网络的家庭安防系统。系统中数据采集部分硬件设计采用低功耗单片机Atmega128L，采集各种安全关键信息，如温度、烟雾、煤气等，并利用红外探测技术对非法入侵进行检测，搭建了完整的硬件数据采集平台。基于ZigBee协议组建无线通信网络，并将检测信号发送到远端基站，基站接收传感器节点发来的数据通过串口通信发送给上位机，上位机软件对数据进行分析和处理，实时显示监测值，并对异常情况(入侵、火灾、煤气泄漏等)进行报警。br　　本系统安全性好，无须布线，布设方便，功耗低，体积小，成本低，而且具有实时性和一定的智能性，可以有效提高家庭安防水平，市场应用前景十分广阔!6.学位论文刘文佳无线传感器网络节点设计与定位算法的研究2008随着微电子技术、计算机技术以及无线通信技术的发展,无线传感器网络应运而生,以其低功耗,低成本,分布式和自组织的特点,带来了一场信息感知的变革。无线传感器网络由大量具有感知、计算和通信能力的传感器节点构成,通过节点间的分工协作,可以实时监测、感知和采集网络分布区域内各种环境或监测对象的信息,可用于国防军事、环境科学、医疗卫生、交通管理等众多领域。本文以传感器节点设计和传感器节点的定位算法为主要研究对象,分析了无线传感器网络的基本原理,设计了基于CC1100芯片的传感器网络节点,包括硬件电路和芯片控制程序,实现了节点收发信息,时分复用,休眠唤醒等功能；分析归纳了典型的无线传感器网络的分布式节点定位技术,从算法的复杂程度,通信开销,适用场合,定位精度等方面对几种已有算法进行了比较,基于比较结果,提出了一种基于DV-Hop算法的改进算法,该算法同时以RSSI值作为参考量,根据节点所处的周围环境不同,选择对应的定位子算法,获得了更高的定位精度,对周围环境的形状要求相对以往算法更低。7.期刊论文王睿.梁彦.潘泉.程咏梅.WANGRui.LIANGYan.PANQuan.CHENGYong-Mei无线传感器网络信息感知中的自组织算法-自动化学报2006,32(5)构造了信息获取与能量节省的综合性能指标,通过在线优化该函数自适应地选择簇首及簇内成员,提出了一种无线传感器网络动态协同自组织算法(DCS),从而实现综合性能优化意义下的网络自组织.仿真表明:与IDSQ算法相比,DCS算法能有效避免乒乓效应问题,节省通讯能量明显,而跟踪精度相当.8.学位论文吴猛无线传感器网络智能节点的研究2008近年来，信息技术在我国获得了迅猛的发展。使得将计算、通信、网络与传感等功能都集成在一个设备