專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，具體涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法。
背景技術(shù)：
參見

圖1的典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，與有線網(wǎng)絡(luò)相比，無線網(wǎng)絡(luò)具有無需布線、易于維護(hù)、高度靈活、快速實(shí)施等特點(diǎn)，對于軍事、工業(yè)、醫(yī)療等相關(guān)行業(yè)應(yīng)用無疑是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。隨著無線通信技術(shù)的成熟與成本的降低，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)成為一個(gè)趨勢。一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在現(xiàn)場的各個(gè)檢測點(diǎn)上，將現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送至網(wǎng)關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來便利的同時(shí)，相關(guān)行業(yè)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了更為嚴(yán)格保障QoS和安全性的要求。 在QoS方面，部分應(yīng)用業(yè)務(wù)對實(shí)時(shí)性的要求較其它應(yīng)用更為嚴(yán)格，微小的延遲會造成重大事故，而部分應(yīng)用業(yè)務(wù)對傳輸差錯(cuò)率有更為嚴(yán)格的要求，差錯(cuò)可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果；在安全性方面，軍事、工業(yè)等相關(guān)行業(yè)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了很高的要求，保證數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)亟需解決的問題。在目前的無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和簡單靈活等特點(diǎn)，已經(jīng)成為最主流的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議的無線標(biāo)準(zhǔn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別是工業(yè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為IEEE 802. 15. 4的主要市場對象。IEEE 802. 15. 4協(xié)議定義了超幀結(jié)構(gòu)，如圖2的IEEE 802. 15. 4超幀結(jié)構(gòu)所示，由CAP (Content Access Period，競爭接入時(shí)期)^P CFP (Content Free Period，非競爭時(shí)期)兩部分組成。此外，參見在2003 年 5 月發(fā)表的"Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) ” 中，IEEE 802. 15. 4 協(xié)議在 MAC (Medium Access Control，媒體接入控制)層上定義 CAP 中采取 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collusion Avoidance，載波監(jiān)聽多路訪問/沖突避免)方式和CFP中采取GTS (Guaranteed Time Slot, 保護(hù)時(shí)隙)方式，但協(xié)議未給出如何劃分CAP和CFP的方法，以及多用戶GTS分配的機(jī)制。 此外，IEEE 802. 15.4協(xié)議還定義了 8種安全組件保證數(shù)據(jù)的安全性，可以根據(jù)業(yè)務(wù)本身的重要性設(shè)定其選用的安全組件，但使用安全組件會增加節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)量。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，部分業(yè)務(wù)不但要求較高的安全性，而且對于QoS同樣有很高的要求。為此，需要針對 IEEE 802. 15. 4設(shè)計(jì)一種基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，實(shí)現(xiàn)CAP和CFP動(dòng)態(tài)劃分、多用戶 GTS分配和安全組件合理調(diào)用，而目前上述所需的無線通信方法尚未查閱到?，F(xiàn)有基于IEEE 802. 15. 4的GTS調(diào)度機(jī)制采用的是基于節(jié)點(diǎn)請求GTS的次序和時(shí)隙數(shù)目的分配原則，因此現(xiàn)有方案仍不能有效保證應(yīng)用場景中具有控制功能或承載實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的節(jié)點(diǎn)的通信質(zhì)量。現(xiàn)有方案未能給出CAP和CFP邊界劃分的方法，因此可能導(dǎo)致分配的GTS不能得到有效使用，從而浪費(fèi)了寶貴的時(shí)隙資源。
現(xiàn)有方案未聯(lián)合數(shù)據(jù)安全性考慮保證服務(wù)質(zhì)量的問題，因此不能有效保證同時(shí)滿足部分節(jié)點(diǎn)的安全性和服務(wù)質(zhì)量的要求?，F(xiàn)有方案中調(diào)度過程的計(jì)算任務(wù)主要由簇內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)完成，這將耗費(fèi)傳感節(jié)點(diǎn)大量能量，進(jìn)而將降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過設(shè)定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級，分別根據(jù)節(jié)點(diǎn)功能和承載業(yè)務(wù)劃分請求GTS 節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級，以此來保證GTS時(shí)隙調(diào)度滿足應(yīng)用場景中多種業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。本發(fā)明提出CAP和CFP的動(dòng)態(tài)劃分方法，滿足協(xié)議中定義的最小CAP長度的要求， 并且根據(jù)GTS請求的變化，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整CAP和CFP的邊界。本發(fā)明結(jié)合IEEE 802. 15. 4提供的安全組件，利用靜態(tài)優(yōu)先級定義業(yè)務(wù)對應(yīng)的安全性要求，提出滿足節(jié)點(diǎn)通信服務(wù)質(zhì)量的安全組件動(dòng)態(tài)配置方法，以此同時(shí)保證通信的安全性和服務(wù)質(zhì)量。本發(fā)明設(shè)定由簇頭完成調(diào)度算法的計(jì)算任務(wù)，以此提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體壽命。本發(fā)明在基于IEEE 802. 15. 4幀結(jié)構(gòu)不變的前提下，通過對信標(biāo)幀和GTS請求幀進(jìn)行簡單修改，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明設(shè)計(jì)的通信方法。本發(fā)明提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，該方法包括(1)初始化優(yōu)先等級劃分和安全等級劃分；( 簇頭處理配置安全組件標(biāo)識；C3)節(jié)點(diǎn)根據(jù)“安全組件標(biāo)識”調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的安全組件并在對應(yīng)GTS時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)。本發(fā)明還提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)，根據(jù)靜態(tài)優(yōu)先級和默認(rèn)安全組件來分配GTS時(shí)隙。本發(fā)明還提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)，簇頭選出靜態(tài)優(yōu)先級最高M(jìn)’個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成臨時(shí) GTS列表，并通過以下公式計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的NumOfPacketshQueue。NumOfPacketsInQueue = Queu^tate χ MaxQueueSize本發(fā)明還提供了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)，按照節(jié)點(diǎn)的NumOfPacketshQueue和默認(rèn)安全組件為M’個(gè)節(jié)點(diǎn)初始分配GTS，被分配GTS所占的時(shí)隙個(gè)數(shù)由以下公式確定。
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，該方法包括(1)初始化優(yōu)先等級劃分和安全等級劃分；( 簇頭處理配置安全組件標(biāo)識；C3)節(jié)點(diǎn)根據(jù)“安全組件標(biāo)識”調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的安全組件并在對應(yīng)GTS時(shí)隙中發(fā)送數(shù)據(jù)。
2.權(quán)利要求1的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)，根據(jù)靜態(tài)優(yōu)先級和默認(rèn)安全組件來分配GTS時(shí)隙。
3.權(quán)利要求2的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)， 簇頭選出靜態(tài)優(yōu)先級最高M(jìn)，個(gè)節(jié)點(diǎn)，組成臨時(shí)GTS列表，并通過以下公式計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 NumOfPacketsInQueue。NumOfPacketsInQueue - Queu^tate χ MaxQueueSize
4.權(quán)利要求3的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)，按照節(jié)點(diǎn)的NumOfPacketshQueue和默認(rèn)安全組件為M’個(gè)節(jié)點(diǎn)初始分配GTS，被分配GTS所占的時(shí)隙個(gè)數(shù)由以下公式確定。NumOfPacketsInQueueNaMaxMA CPayloadSize - LAwcHead-τ _ LmicLengthOfP ackets其中，LAuritead和Lmi。分別表示對應(yīng)安全組件輔助幀頭和完整性碼的長度，單位為字節(jié)， aMaxMACPayIoadSize是IEEE 802. 15. 4MAC幀靜載荷的最大字節(jié)數(shù)；「·1表示上取整。
5.權(quán)利要求1-4的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括簇頭處理配置安全組件標(biāo)識時(shí)， 根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級來調(diào)整節(jié)點(diǎn)可選的安全組件，并進(jìn)一步分配GTS時(shí)隙。
6.權(quán)利要求1-5的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括根據(jù)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級來如下調(diào)整節(jié)點(diǎn)可選的安全組件將臨時(shí)GTS列表中動(dòng)態(tài)優(yōu)先級最低的節(jié)點(diǎn)去除，并加入到備選GTS列表中，選取備選GTS列表中動(dòng)態(tài)優(yōu)先級最大的節(jié)點(diǎn)。結(jié)合aminCAPlength的要求，根據(jù)如下公式調(diào)整節(jié)點(diǎn)可選的安全組件。, NumOfPacketsInQueue χ LengthOfPacketsL =-CiMaxFrameOverhead - L'AuxHead -Vmic其中，L' AuxItea(^PL' ΜΚ為節(jié)點(diǎn)的可選安全組件所對應(yīng)的輔助幀頭和完整性碼長度， L'為計(jì)算出的GTS分配所需的時(shí)隙個(gè)數(shù)，依據(jù)安全級由高到低的原則重新配置安全組件。
7.權(quán)利要求1-6的安全通信方法，該方法進(jìn)一步包括在節(jié)點(diǎn)參與CAP的信道競爭過程中，競爭失敗，則將節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級加1，從而再次參與CAP信道競爭或者在CAP中發(fā)送 GTS請求。
8.權(quán)利要求1-7的安全通信方法，該方法的靜態(tài)優(yōu)先級根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功能，按照實(shí)際場景節(jié)點(diǎn)的具體應(yīng)用來設(shè)定。
9.權(quán)利要求1-8的安全通信方法，該方法的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級根據(jù)業(yè)務(wù)類型劃分。
10.權(quán)利要求1-9的安全通信方法，該方法的動(dòng)態(tài)優(yōu)先級業(yè)務(wù)類型包括語音、數(shù)據(jù)、視頻等。
11.權(quán)利要求1-10的安全通信方法，該方法的靜態(tài)優(yōu)先級和動(dòng)態(tài)優(yōu)先級都體現(xiàn)在GTS請求幀的GTS特性域中，其中，“靜態(tài)優(yōu)先級”標(biāo)識使用原有協(xié)議的“保留”位，“動(dòng)態(tài)優(yōu)先級” 標(biāo)識使用原有的“GTS長度”的前3位。
12.權(quán)利要求1-11的安全通信方法，該方法將GTS請求幀中幀控制域的“保留”位設(shè)置為“緩存狀態(tài)”標(biāo)識，占用:3bit。
13.權(quán)利要求1-12的安全通信方法，該方法GTS請求幀中幀控制域的“保留”位的“緩存狀態(tài)”由以下公式確定
14.權(quán)利要求1-13的安全通信方法，該方法利用將GTS請求幀原有“GTS長度”的第4 位設(shè)置為“安全配置域”來表示采用默認(rèn)安全組件或根據(jù)安全等級動(dòng)態(tài)配置安全組件。
15.權(quán)利要求1-14的安全通信方法，該方法將原有的信標(biāo)幀“GTS長度”改為“安全組件標(biāo)識”。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域，具體涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法。本發(fā)明主要目的是解決同時(shí)保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)和安全性的問題。兩者均為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性能指標(biāo)，但QoS和安全性在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中也是兩個(gè)互相影響的因素。因此，本發(fā)明將在不改變IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)前提下，提出一種基于服務(wù)質(zhì)量的安全通信方法，做到簡單易用。
文檔編號H04W28/26GK102238651SQ20111018510
公開日2011年11月9日 申請日期2011年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月1日
發(fā)明者徐興坤, 徐志博, 趙婷, 鄭曉崑, 高昆侖 申請人:中國電力科學(xué)研究院