基于信任管理的无线传感器网络容错技术的研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由部署在监控区域大量微型、低成本的智能传感器节点,利用无线通信信道,通过多跳自组织方式构成的网络系统。传感器节点硬件结构简单且能量有限,通常部署环境恶劣且无人值守,加上无线信道本身的不可靠,导致网络经常出现通信链路断开、节点损坏或者能量耗尽等故障,造成传感器采集的数据不能正确反映事件发生区域真实的情况。同时,网络可能会受到恶意节点的攻击,或者传感器节点软件问题,也会造成采集的数据错误。对于以数据为中心的无线传感器网络,网络的容错性和可靠性的研究显得尤为重要。本文针对无线传感器网络缺乏信任管理机制,提出一种基于节点信誉度的信任管理机制,该机制的核心思想是：考虑到传感器节点采集的数据不仅与节点本身的历史数据有关,还与领域内其他传感器节点采集的数据有关,根据相似度矩阵得出数据信任度,计算可用的通信带宽和剩余能量分别得出带宽和能量的信誉度。综合无线传感器网络传感器节点的数据、带宽和能量三方面的信誉度建立信任模型,并将该信任模型引入到无线传感器网络管理体系中,此时网络组建和节点各种行为都以可信度为依据。接着将该信任管理机制引入到传感器节点的事件检测中,并提出一种节点信誉度的容错事件检测算法NCFTED（Nodes Credit Fault-Tolerant Event Detection）,该算法的主要思想是：当传感器检测到异常数据时,根据故障节点排除算法FNE（Fault Nodes Exclude）对故障节点进行排除；利用事件区域节点的信任等级进行簇头的选择,分析得出多跳的方式比单跳的方式更节省能量,特别对于簇头节点和离簇头较远的节点,簇内和簇间的通信尽可采用多跳的方式,最终将数据发送给基站。文章首先叙述了本课题研究的前景和意义,简要的描述无线传感器网络应用前景,并对目前无线传感器网络存在的问题进行了分析。详细地介绍了当前无线传感器网络的信任管理机制和容错技术的国内外研究现状以及无线传感器网络的体系结构和基本特征。通过对节点信誉度的计算得出节点信任度评估模型,并将此模型引入到事件检测的容错技术中；其次,文章利用NS2网络仿真平台,对NCFTED算法进行仿真,该算法只需收集一次邻居节点的传感的数据,就可以检测到非正常的数据,通过简单的计算便可将故障节点进行排除。仿真分析出该算法识别率高,误检率和误报率低,计算复杂度低,拟合度高,由于簇的建立只在检测到有异常数据时进行,所以网络的通信量小,对大规模网络具有很好的可扩展性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 无线传感器网络的应用
• 1.3 无线传感器网络体系结构及特点
• 1.3.1 传感器节点的结构
• 1.3.2 无线传感器网络体系结构
• 1.3.3 无线传感器网络基本特点
• 1.4 信任管理和容错技术研究现状
• 1.4.1 信任管理研究现状
• 1.4.2 无线传感器网络容错技术研究现状
• 1.5 本文的主要内容及结构
• 第2章 无线传感器网络信誉模型
• 2.1 无线传感器网络信任的需求
• 2.2 数据信任度的计算
• 2.2.1 相似度矩阵
• 2.2.2 基于相似度矩阵计算节点数据的可信度
• 2.3 节点能量信任度计算
• 2.4 节点通信带宽信任度计算
• 2.5 仿真结果及其分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 事件检测的容错技术
• 3.1 事件检测的相关概念
• 3.2 研究基础
• 3.2.1 LEACH算法
• 3.2.2 节点信任等级的划分
• 3.2.3 能耗分析
• 3.3 NCFTED算法的描述
• 3.3.1 故障节点的识别
• 3.3.2 事件边界的检测
• 3.3.3 网络梯度场的建立
• 3.3.4 事件数据的上报
• 3.4 本章小结
• 第4章 NCFTED算法的分析与仿真
• 4.1 NS2与网络仿真
• 4.1.1 NS2简介
• 4.1.2 NS2的原理
• 4.1.3 NS2网络仿真的一般过程
• 4.2 仿真步骤
• 4.2.1 网络性能指标
• 4.2.2 仿真场景配置及仿真结果分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 研究方向的展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢