[发明专利]一种分布式架构的无线传感器网络干扰区域映射方法

说明书

本发明涉及一种分布式架构的无线传感器网络干扰区域映射方法，其步骤包括：首先，网络自下而上形成具备节点层，簇头层，sink层的三层分布式架构；其次，通过节点层与簇头层、簇头层与sink层之间的两两交互，以丢失或不完整的数据报告为依据实现自下而上的干扰攻击识别；随后依赖sink层的数据包进行分解，自上而下开展簇头级干扰区域映射和节点级干扰区域映射，逐级提高映射结果的精度；最后利用凸包算法将地理位置上相邻的受干扰簇进行区域合并，降低单独存储分析各受干扰簇的复杂度。本发明能够在不需要额外硬件支持，不改写底层MAC协议的前提下获取干扰区域的位置和形状，对于传感器网络的干扰攻击防御具有广泛的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种分布式架构的无线传感器网络干扰区域映射方法，属于无线传感器网络通信支持技术领域。

背景技术

无线链路的开放性、信号传播的广播特性等特征，使得无线传感网容易遭受干扰攻击的威胁，即攻击者通过在与网络节点相同的信道广播无意义报文，达到使网络节点之间不能正常通信的目的。干扰攻击将网络分为干扰区域和非干扰区域，干扰区域内的节点由于受干扰影响，无法与外部节点通信，从而使得该区域形成通信“空洞”，对网络数据的转发、路由等性能及安全都可以造成严重影响。因此，检测、防御干扰攻击对于提高网络的可靠性，增强网络的安全性，具有十分重要的理论价值和现实意义。近几年，人们提出了多种干扰攻击防御机制，致力于在传感器网络检测到遭受干扰攻击时，从空间、时间或者频率等方面避开干扰攻击的影响。但是，大部分策略或因需要复杂的硬件支持不符合传感网经济节能的设计需求、或因较为理想的假设前提在诸多实际场景中无法直接应用。

当前研究的无线传感器网络干扰攻击防御机制设计思想主要包括:扩频通信、干扰区域映射、干扰源定位、空间退避。使用扩频通信抵御干扰攻击的原理是，节点实际使用的通信带宽高于信息传输需求的最小带宽，当节点收到干扰攻击后可以通过快速跳频，利用未被干扰的频点进行数据传输。但是，传感器节点低成本的设计需求使其通信模块只支持单频通信，且扩频通信要求的信道快速切换非常依赖于硬件，因此扩频通信的使用局限性较大。干扰区域映射的基本思想是，利用干扰攻击导致的网络的特征参数变化，探查干扰攻击的影响区域，通过获取干扰区域的位置和形状，指导网络数据的转发和节点的能量管理。干扰区域映射策略保证了网络遭受干扰攻击的情况下也可以正常地进行数据路由。干扰源定位是干扰攻击防御中最直接、最有效的防御方式，基于测距的干扰源定位算法，强调如何选择合适的普通节点的物理属性，建立起与干扰源的关系，从而依据信号传播模型进行定位，测距无关定位则是根据干扰区域附近内外节点的位置信息，结合相关的几何数学知识进行干扰源位置的估计。但在节点通信受阻的情况下运行干扰源定位算法，存在定位失败的概率，且与节点自定位相比，干扰源定位的结果引入的定位误差较高，所需的定位时间更长。空间退避的基本思想是，节点一旦检测到干扰攻击的存在，则移动至干扰区域外，最终的移动位置可以较好的保持与网络其他节点的连通性。空间退避策略仅适用于节点具有移动能力的场景中，无法作用于静态传感网。

从保证数据连续性的角度而言，干扰区域映射策略通过获取干扰区域的位置和形状，指导网络中节点在信息转发过程中规避干扰区域，其算法复杂度低于干扰源定位，可扩展性优于扩频通信策略和空间退避策略。目前，国内外研究者针对无线传感网中的干扰区域映射研究较少，相关文献如下：

1、2003年，Wood等人在《JAM:A Jammed-Area Mapping Service for SensorNetworks》中，提出了一种实时干扰区域映射策略JAM。由于在干扰区域的边缘，干扰信号相对较弱，边缘内节点广播受到干扰的消息，边缘外的节点则相互协同合作，交换接收到的受干扰信息，利用边缘外的节点的位置形成一个覆盖干扰区域的外包络，外包络作为干扰区域的映射结果。JAM能够在数秒内产生映射结果，但缺陷在于，需要修改网络底层的MAC通信协议来实现受干扰消息的对外发送。