[發(fā)明專利]一種分布式架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)干擾區(qū)域映射方法

有效

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• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN106961697B
• 公開（公告）日: 2020-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓光潔;劉立
• 申請（專利權(quán)）人: 河海大學(xué)常州校區(qū)
• 主分類號: H04W24/08
• 分類號: H04W24/08;H04W84/18;H04W40/10;H04W40/20
• 代理公司: 常州市科誼專利代理事務(wù)所 32225
• 代理人: 孫彬

本發(fā)明涉及一種分布式架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)干擾區(qū)域映射方法，其步驟包括：首先，網(wǎng)絡(luò)自下而上形成具備節(jié)點(diǎn)層，簇頭層，sink層的三層分布式架構(gòu)；其次，通過節(jié)點(diǎn)層與簇頭層、簇頭層與sink層之間的兩兩交互，以丟失或不完整的數(shù)據(jù)報(bào)告為依據(jù)實(shí)現(xiàn)自下而上的干擾攻擊識別；隨后依賴sink層的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解，自上而下開展簇頭級干擾區(qū)域映射和節(jié)點(diǎn)級干擾區(qū)域映射，逐級提高映射結(jié)果的精度；最后利用凸包算法將地理位置上相鄰的受干擾簇進(jìn)行區(qū)域合并，降低單獨(dú)存儲分析各受干擾簇的復(fù)雜度。本發(fā)明能夠在不需要額外硬件支持，不改寫底層MAC協(xié)議的前提下獲取干擾區(qū)域的位置和形狀，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的干擾攻擊防御具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種分布式架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)干擾區(qū)域映射方法，屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信支持技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

無線鏈路的開放性、信號傳播的廣播特性等特征，使得無線傳感網(wǎng)容易遭受干擾攻擊的威脅，即攻擊者通過在與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相同的信道廣播無意義報(bào)文，達(dá)到使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間不能正常通信的目的。干擾攻擊將網(wǎng)絡(luò)分為干擾區(qū)域和非干擾區(qū)域，干擾區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)由于受干擾影響，無法與外部節(jié)點(diǎn)通信，從而使得該區(qū)域形成通信“空洞”，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、路由等性能及安全都可以造成嚴(yán)重影響。因此，檢測、防御干擾攻擊對于提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的安全性，具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。近幾年，人們提出了多種干擾攻擊防御機(jī)制，致力于在傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測到遭受干擾攻擊時(shí)，從空間、時(shí)間或者頻率等方面避開干擾攻擊的影響。但是，大部分策略或因需要復(fù)雜的硬件支持不符合傳感網(wǎng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的設(shè)計(jì)需求、或因較為理想的假設(shè)前提在諸多實(shí)際場景中無法直接應(yīng)用。

當(dāng)前研究的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)干擾攻擊防御機(jī)制設(shè)計(jì)思想主要包括:擴(kuò)頻通信、干擾區(qū)域映射、干擾源定位、空間退避。使用擴(kuò)頻通信抵御干擾攻擊的原理是，節(jié)點(diǎn)實(shí)際使用的通信帶寬高于信息傳輸需求的最小帶寬，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到干擾攻擊后可以通過快速跳頻，利用未被干擾的頻點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但是，傳感器節(jié)點(diǎn)低成本的設(shè)計(jì)需求使其通信模塊只支持單頻通信，且擴(kuò)頻通信要求的信道快速切換非常依賴于硬件，因此擴(kuò)頻通信的使用局限性較大。干擾區(qū)域映射的基本思想是，利用干擾攻擊導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)的特征參數(shù)變化，探查干擾攻擊的影響區(qū)域，通過獲取干擾區(qū)域的位置和形狀，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和節(jié)點(diǎn)的能量管理。干擾區(qū)域映射策略保證了網(wǎng)絡(luò)遭受干擾攻擊的情況下也可以正常地進(jìn)行數(shù)據(jù)路由。干擾源定位是干擾攻擊防御中最直接、最有效的防御方式，基于測距的干擾源定位算法，強(qiáng)調(diào)如何選擇合適的普通節(jié)點(diǎn)的物理屬性，建立起與干擾源的關(guān)系，從而依據(jù)信號傳播模型進(jìn)行定位，測距無關(guān)定位則是根據(jù)干擾區(qū)域附近內(nèi)外節(jié)點(diǎn)的位置信息，結(jié)合相關(guān)的幾何數(shù)學(xué)知識進(jìn)行干擾源位置的估計(jì)。但在節(jié)點(diǎn)通信受阻的情況下運(yùn)行干擾源定位算法，存在定位失敗的概率，且與節(jié)點(diǎn)自定位相比，干擾源定位的結(jié)果引入的定位誤差較高，所需的定位時(shí)間更長。空間退避的基本思想是，節(jié)點(diǎn)一旦檢測到干擾攻擊的存在，則移動至干擾區(qū)域外，最終的移動位置可以較好的保持與網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的連通性。空間退避策略僅適用于節(jié)點(diǎn)具有移動能力的場景中，無法作用于靜態(tài)傳感網(wǎng)。

從保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的角度而言，干擾區(qū)域映射策略通過獲取干擾區(qū)域的位置和形狀，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在信息轉(zhuǎn)發(fā)過程中規(guī)避干擾區(qū)域，其算法復(fù)雜度低于干擾源定位，可擴(kuò)展性優(yōu)于擴(kuò)頻通信策略和空間退避策略。目前，國內(nèi)外研究者針對無線傳感網(wǎng)中的干擾區(qū)域映射研究較少，相關(guān)文獻(xiàn)如下：

1、2003年，Wood等人在《JAM:A Jammed-Area Mapping Service for SensorNetworks》中，提出了一種實(shí)時(shí)干擾區(qū)域映射策略JAM。由于在干擾區(qū)域的邊緣，干擾信號相對較弱，邊緣內(nèi)節(jié)點(diǎn)廣播受到干擾的消息，邊緣外的節(jié)點(diǎn)則相互協(xié)同合作，交換接收到的受干擾信息，利用邊緣外的節(jié)點(diǎn)的位置形成一個(gè)覆蓋干擾區(qū)域的外包絡(luò)，外包絡(luò)作為干擾區(qū)域的映射結(jié)果。JAM能夠在數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生映射結(jié)果，但缺陷在于，需要修改網(wǎng)絡(luò)底層的MAC通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)受干擾消息的對外發(fā)送。