耿麗麗

摘 要： 研究失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的可通信性能評估方法，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能。提出一種基于VXI總線交互式動態(tài)配置的失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估系統(tǒng)設(shè)計方法，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的實體對象模型，進行通信系統(tǒng)的總體設(shè)計描述，采用分數(shù)間隔均衡匹配濾波檢測方法進行網(wǎng)絡(luò)失效節(jié)點的檢測設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，在此基礎(chǔ)上對失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位模塊進行硬件電路設(shè)計，實現(xiàn)了失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估。實驗結(jié)果表明，采用該設(shè)計方法進行失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估，能提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，節(jié)點通信的誤碼率降低到最小，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝浚岣呔W(wǎng)絡(luò)安全性，展示了較好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)絡(luò)安全； 通信系統(tǒng)； 匹配濾波器； 誤碼率

中圖分類號： TN926?34； TN911 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）22?0027?05

0 引 言

隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展，采用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸和信號通信成為未來保密通信傳輸?shù)闹攸c發(fā)展趨勢，在無線網(wǎng)絡(luò)通信中，由于網(wǎng)絡(luò)的自組織特征和分布性特點，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)容易遭到外界非法入侵和攻擊，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)失效和通信中斷。無線網(wǎng)絡(luò)采用以太網(wǎng)接口支持網(wǎng)關(guān)以10 Mb/s，100 Mb/s 自適應(yīng)信號傳輸和通信數(shù)據(jù)調(diào)度，這一過程中由于受到網(wǎng)絡(luò)的攻擊，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失效，需要通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的可通信性能評估方法，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性能，研究相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計方法受到人們的重視。

傳統(tǒng)方法中，對失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的通信性能優(yōu)化評估方法有基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點自組織定位方法、基于RS 232接口調(diào)試和VIX總線數(shù)據(jù)調(diào)度的通信性能評估和系統(tǒng)設(shè)計方法、基于嵌入式網(wǎng)關(guān)ARM處理的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計方法等[1?3]，上述方法在進行無線網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)設(shè)計過程中，由于沒有采用失效節(jié)點的優(yōu)化定位模塊設(shè)計，導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)遭到入侵的情況下對失效節(jié)點的評估性能不好，網(wǎng)絡(luò)的安全性和魯棒性不佳。對此，相關(guān)文獻進行了系統(tǒng)的改進設(shè)計，其中，文獻[4]提出一種基于三端線性穩(wěn)壓控制的失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信性能評估模型，進行了無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝?，?dǎo)致該設(shè)計方法需要的存儲開銷過大，系統(tǒng)的集成度不高，性能不好。文獻[5]提出一種基于頻譜混疊分離的失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估方法，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的抽樣信號進行頻譜混疊失真抑制處理，實現(xiàn)對失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的準確定位和挖掘，在此基礎(chǔ)上進行通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，提高了系統(tǒng)的安全性和兼容性，但是該系統(tǒng)在混疊譜處存在零點的時候，符號間隔均衡器將放大該頻率點處的噪聲，影響通信的信道均衡性[6]。針對上述問題，本文提出一種基于VXI總線交互式動態(tài)配置的失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估系統(tǒng)設(shè)計方法，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的實體對象模型，進行通信系統(tǒng)的總體設(shè)計，采用分數(shù)間隔均衡匹配濾波檢測方法進行網(wǎng)絡(luò)失效節(jié)點的檢測設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，在此基礎(chǔ)上對失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位模塊進行硬件電路設(shè)計，實現(xiàn)了失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估。最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文設(shè)計系統(tǒng)的優(yōu)越性能。

1 無線網(wǎng)絡(luò)通信的實體對象模型及系統(tǒng)總體設(shè)

計描述

1.1 無線網(wǎng)絡(luò)通信的實體對象模型

為了實現(xiàn)對失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估，進行無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，首先需要構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)通信的實體對象模型。無線通信網(wǎng)絡(luò)包括4類基本實體對象：目標、觀測節(jié)點、信道均衡模塊和數(shù)據(jù)感知節(jié)點，通過遠程任務(wù)管理單元構(gòu)建自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7?10]。傳感節(jié)點與觀測節(jié)點進行交互，獲取無線通信網(wǎng)絡(luò)感興趣的對象及其屬性。網(wǎng)絡(luò)通過觀測節(jié)點發(fā)布查詢請求，部署在監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)用支撐層采用異構(gòu)節(jié)點組成，實現(xiàn)遠程訪問和網(wǎng)絡(luò)查詢、管理。無線通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 無線通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)層構(gòu)成了無線通信網(wǎng)絡(luò)的實體模型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)適配層部署在無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，完成無線通信網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。配置中間件完成無線通信網(wǎng)絡(luò)的各種配置工作，例如路由配置，拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整等。無線通信網(wǎng)絡(luò)中間件和平臺軟件采用層次化、模塊化的自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提高了無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理能力。無線通信網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目眾多，在受到網(wǎng)絡(luò)攻擊的時候，容易導(dǎo)致通信節(jié)點失效，由于節(jié)點高密度部署，網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)用戶通信協(xié)議層進行節(jié)點定位，在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層中進行數(shù)據(jù)傳輸和通信的移動性管理和任務(wù)管理。無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸介質(zhì)可以是無線、紅外或者光介質(zhì)。數(shù)據(jù)鏈路層通過媒體訪問控制（MAC）層協(xié)議提供有效的通信鏈路，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間進行路由設(shè)計。文件級CDP工作在代理端，數(shù)據(jù)鏈路層標記數(shù)據(jù)并發(fā)送到原CDP系統(tǒng)模型中，進行通信系統(tǒng)的功能切換和數(shù)據(jù)存儲及組織管理。

無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過應(yīng)用感知技術(shù)對數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，EBRS（Event Based CDP Restore System）是以原CDP系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，插入事件標簽來完成數(shù)據(jù)的一致性控制，進行失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的可通信能力評估，并對日志進行存儲和管理。綜上分析，得到無線網(wǎng)絡(luò)通信的實體對象模型框圖描述如圖2所示。

1.2 無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計描述

在上述構(gòu)建的無線通信網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)模型設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計，無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)模型由下面幾個部分組成：

（1） 計算元件（CE）：代表無線通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格的計算資源。

（2） 存儲元件（SE）：對原始通信數(shù)據(jù)進行特征采集，對本地信息進行UNIX內(nèi)核的寫入。

（3） MANTIS OS調(diào)度器（RB）：獲取足夠的堆?？臻g，根據(jù)選擇的任務(wù)進行動態(tài)重編程，內(nèi)核使用事件驅(qū)動，分配給每個任務(wù)適當?shù)恼军c。

副本管理器在無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計中，為了滿足網(wǎng)絡(luò)失效狀態(tài)下的程序動態(tài)下載功能，對每個節(jié)點進行程序與服務(wù)的動態(tài)加載，控制數(shù)據(jù)的傳輸，設(shè)計事件驅(qū)動機制，為訪問副本目錄在內(nèi)核中提供可裝載程序。

根據(jù)上述總體設(shè)計方案，在TinyOS的體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用嵌入式無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，系統(tǒng)由一個調(diào)度器和EBRS Server組件組成。通過Time Marker構(gòu)建硬件抽象組件。TinyOS的組件層次采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧負責(zé)數(shù)據(jù)打包和路由的分發(fā)，在無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的路由和傳輸數(shù)據(jù)的資源體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，TinyOS組件庫通過NCC編譯器的編譯進行軟件設(shè)計，為了保證每一個節(jié)點的通信性能，調(diào)用runNextTask（TRUE）進行task或者post關(guān)鍵詞聲明，自動完成連線工作，通過TaskBasic的接口定義，進行TaskBasic接口的通信協(xié)議設(shè)計和調(diào)度，得到無線通信網(wǎng)絡(luò)nesC編譯的調(diào)度程序如下：

根據(jù)上述接口程序設(shè)計，基于VXI總線交互式動態(tài)配置方法，運行RunTask事件進入無限循環(huán)任務(wù)，實現(xiàn)無線通信網(wǎng)絡(luò)的均衡濾波處理，提高通信網(wǎng)絡(luò)的信道均衡性能。綜上分析，得到本文設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的TinyOS通信架構(gòu)如圖4所示。

在上述進行了系統(tǒng)的實體模型分析和系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計和軟件設(shè)計，為實現(xiàn)失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可通信性能評估提供模型基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信信道均衡器設(shè)計

構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的實體對象模型，進行通信系統(tǒng)的總體設(shè)計描述，采用分數(shù)間隔均衡匹配濾波檢測方法進行網(wǎng)絡(luò)失效節(jié)點的檢測設(shè)計，提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，在此基礎(chǔ)上對失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點定位模塊進行硬件電路設(shè)計，為了提高無線通信網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，避免網(wǎng)絡(luò)攻擊帶來的節(jié)點失效，首先進行信道均衡濾波處理，設(shè)計自適應(yīng)均衡器進行無線網(wǎng)絡(luò)通信的信道均衡，基于VXI總線交互式動態(tài)配置，得到濾波器框圖描述如圖5所示。

均衡器通常是用濾波器來實現(xiàn)的，使用濾波器來濾除因為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點失效帶來的失真脈沖。自適應(yīng)均衡器一般包含兩種工作模式，即訓(xùn)練模式和跟蹤模式。在本文設(shè)計中，采用訓(xùn)練模式進行幅度均衡，對失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信信道進行自適應(yīng)均衡，設(shè)計相位均衡器，用以校正相?頻特性，得到失效節(jié)點的時延?頻率特性結(jié)果。在信道均衡過程中，自適應(yīng)算法所采用的最優(yōu)準則有最小均方誤差（LMS）準則，在動態(tài)調(diào)整濾波器的階數(shù)的時候補償信道的深度零點，實現(xiàn)對失效網(wǎng)絡(luò)的惡劣信道判決，提高節(jié)點的橫向均衡性能，無線網(wǎng)絡(luò)信道均衡算法設(shè)計過程描述如下：

（1） 設(shè)置參數(shù)

[L]為抽頭參量（即濾波器長度）；m為非平穩(wěn)性迭代步長，[0

（2） 初始化系數(shù)設(shè)置

通常，令權(quán)重系數(shù)[w0=0]。

（3） 計算方程及遞推公式

增益向量矢量為：

[xn=xn，xn-1，…，xn-L+1T]

在[n]時刻均衡器的收斂速度為[L×1]抽頭輸入向量。

計算時變系統(tǒng)的跟蹤速度[wn+1]：[n+1]時刻抽頭權(quán)向量估計對[n=0，1，2，…，]得到自適應(yīng)信道均衡的遞推公式為：

[en=dn-wHn?xnwn+1=wn+μ?xn?en]

在上述算法設(shè)計和框圖設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用VXI總線模塊，結(jié)合SCPI驅(qū)動儀器，得到本文設(shè)計的無線通信網(wǎng)絡(luò)的失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信信道均衡器的硬件電路如圖6所示。

2.2 失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估控制器設(shè)計

在上述均衡器模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信性能評估的控制器設(shè)計，主控制器是整個系統(tǒng)的核心，為了達到高性能、低功耗網(wǎng)絡(luò)通信控制的目的，采用以ARM920T為核心的32位RISC微處理器構(gòu)建失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估控制器電路。無線通信系統(tǒng)的供電電壓為DC 3.3 V和1.25 V，為了減小雜波干擾，在LM1117芯片加上128 MB的FLASH芯片進行信號存儲和波形抑制，對ARM處理器和無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊進行Linux內(nèi)核映像處理，使用前面提到的調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位策略，采用層次化的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進行通信性能的評估，對連通性差的節(jié)點定位調(diào)制。在此基礎(chǔ)上，采用2片SDRAM芯片UART0并聯(lián)構(gòu)建32 位的CrossBowRAM存儲器，失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估控制器的電路設(shè)計圖如圖7所示。

由圖7可知，失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估控制器的電路集成有LCD控制器，另接DM9000網(wǎng)絡(luò)變壓器，進行以太網(wǎng)通信的接口電路的串口通信，在Linux操作系統(tǒng)中進行時序信號分析和數(shù)據(jù)顯示，實現(xiàn)對失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可通信性能的評估和網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化設(shè)計。

3 系統(tǒng)仿真實驗與性能測試

為了測試本文設(shè)計的無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)失效時節(jié)點的可通信性能優(yōu)化控制和評估中的應(yīng)用，進行仿真實驗。實驗中，系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺采用開放源碼的Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)主程序的編寫采用Linux內(nèi)置TCP/IP協(xié)議設(shè)計并實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點從telosB節(jié)點到本機TCP端口的轉(zhuǎn)發(fā)過程中以fpacket.cpp為數(shù)據(jù)包寫入指定長度的數(shù)據(jù)，讀寫進程之間采用TCPComm類函數(shù)完成控制程序的加載，系統(tǒng)仿真的軟件實現(xiàn)流程如圖8所示。

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進行失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信性能測試和評估，通過 Internet/Intranet對通信數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和采樣，得到失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信數(shù)據(jù)的時域采樣波形如圖9所示。

根據(jù)上述對失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信數(shù)據(jù)采樣，以此為訓(xùn)練集，進行通信性能評估，以節(jié)點通信的誤碼率和吞吐性能為測試指標，得到仿真結(jié)果如圖10所示，從圖10可知，采用該設(shè)計方法進行失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估，能提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，節(jié)點通信的誤碼率降低到最小，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝?，提高網(wǎng)絡(luò)安全性，展示了較好的應(yīng)用價值。

4 結(jié) 語

本文研究了失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的可通信性能評估方法，提出一種基于VXI總線交互式動態(tài)配置的失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估系統(tǒng)設(shè)計方法，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的實體對象模型，進行通信系統(tǒng)的總體設(shè)計描述，進行無線網(wǎng)絡(luò)信道均衡濾波器、通信信道均衡器、失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估控制器等模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了失效網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點可通信性能評估。研究成果表明，采用該系統(tǒng)設(shè)計方法，能提高網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能，降低通信誤碼率，提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏滦?，提高網(wǎng)絡(luò)安全傳輸通信能力，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的安全，展示了較好的應(yīng)用前景。

圖10 失效網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可通信性能對比

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