王曉剛

（東營(yíng)職業(yè)學(xué)院電子信息與傳媒學(xué)院, 山東東營(yíng) 257091）

隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的不斷推進(jìn), 移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸領(lǐng)域面臨的威脅日趨嚴(yán)重。傳統(tǒng)移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸領(lǐng)域一般不考慮傳感節(jié)點(diǎn)所具有的流通特性, 信道攻擊精確度難以體現(xiàn)在信號(hào)干涉層次, 因而捕捉攻擊的精確度較低[1］。當(dāng)前移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法主要基于節(jié)點(diǎn)層次, 以便從根本上實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的全流程監(jiān)控, 降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)[2］。

為提升移動(dòng)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量, 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全性能, 研究者提出了一些具有前瞻性的研究點(diǎn), 并在實(shí)踐中得到了部分應(yīng)用[3］。Peng等[4］提出了一種高斯白噪聲擦除機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法, 算法采取信道正交機(jī)制, 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編碼方式將信道傳輸過(guò)程予以分割, 從而實(shí)現(xiàn)高并發(fā)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)安全傳輸, 具有超帶寬的傳輸特性。不過(guò), 該算法需要按照周期方式對(duì)信道定向分割, 存在噪聲干擾較強(qiáng)的問(wèn)題, 若高斯白噪聲功率譜密度不斷提高, 則該算法的傳輸性能將急劇衰退。Kiranpreet等[5］提出了一種基于報(bào)文擁塞控制機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法, 該算法針對(duì)傳輸報(bào)文予以冗余壓縮以降低傳輸帶寬, 具有節(jié)點(diǎn)沖突概率較低的特點(diǎn)。不過(guò), 由于該算法未對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸路由、節(jié)點(diǎn)避退等方面予以統(tǒng)籌, 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布不均勻時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的波動(dòng)現(xiàn)象, 從而降低算法的適用性能。Ditipriya等[6］提出了一種基于指針矩陣機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法, 算法將抖動(dòng)狀態(tài)節(jié)點(diǎn)及鏈路予以指針化處理, 及時(shí)消除抖動(dòng)狀態(tài)的指針向量, 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸串?dāng)_現(xiàn)象的有效規(guī)避, 在一定程度上提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。不過(guò), 該算法未對(duì)傳輸信道進(jìn)行優(yōu)化, 信道干擾較為嚴(yán)重, 數(shù)據(jù)傳輸性能波動(dòng)頻次較高, 難以在實(shí)踐中大規(guī)模推廣。

為了解決上述問(wèn)題, 本文提出了一種基于信道隨機(jī)干涉博弈機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法, 首先, 針對(duì)覆蓋冗余現(xiàn)象, 利用信道信噪比對(duì)冗余數(shù)據(jù)予以消除, 降低了網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù)傳輸量, 提升數(shù)據(jù)傳輸性能。隨后, 算法使用時(shí)間匹配方法動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸周期, 可顯著提升傳輸匹配效果, 從而進(jìn)一步增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)整體傳輸性能。最后, 采用MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境, 證明了本文算法的性能。

1 本文網(wǎng)絡(luò)模型分析

考慮到移動(dòng)傳感網(wǎng)一般采用5G制式節(jié)點(diǎn), 節(jié)點(diǎn)部署過(guò)程中具有移動(dòng)性能較高的特性, 頻率漂移及信道干擾嚴(yán)重, 因而數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中往往引入太赫茲傳輸機(jī)制[7］。節(jié)點(diǎn)內(nèi)置制式天線, 由于功率受限, 僅各節(jié)點(diǎn)處于覆蓋半徑之內(nèi)時(shí)方可啟動(dòng)傳輸信道建立流程。若節(jié)點(diǎn)彼此處于覆蓋半徑之內(nèi)時(shí), 各節(jié)點(diǎn)將采取內(nèi)置天線主動(dòng)應(yīng)答模式, 采用正向鏈接模型獲取前后節(jié)點(diǎn)信道頻率, 并以此對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)予以調(diào)制, 最終通過(guò)中繼方式完成數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)彼此處于覆蓋半徑之內(nèi)時(shí), 可能存在匹配沖突現(xiàn)象, 見(jiàn)圖1。特別是節(jié)點(diǎn)處于高密集分布狀態(tài)時(shí), 各節(jié)點(diǎn)間區(qū)域重疊頻繁, 將會(huì)由于信道干涉而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸抖動(dòng)。

圖1 區(qū)域重疊Fig.1 Area overlap

1.1 信道干涉現(xiàn)象

由于移動(dòng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間信號(hào)具有相似特性[8］, 特別是移動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致較為嚴(yán)重的多普勒效應(yīng), 使得信道干涉現(xiàn)象較為突出, 見(jiàn)圖2。3個(gè)處于移動(dòng)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)若出現(xiàn)互相覆蓋時(shí), 處于覆蓋區(qū)域內(nèi)的第3個(gè)節(jié)點(diǎn)由于信道干涉現(xiàn)象出現(xiàn)傳輸受阻, 從而成為僵尸節(jié)點(diǎn)。

圖2 信道干涉Fig.2 Channel interference

1.2 多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)沖突

當(dāng)某一區(qū)域存在多個(gè)互相干涉節(jié)點(diǎn)時(shí), 見(jiàn)圖3, 若某個(gè)節(jié)點(diǎn)已被指定為另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的下游節(jié)點(diǎn), 由于其余的節(jié)點(diǎn)在下一周期啟動(dòng)時(shí)將對(duì)該節(jié)點(diǎn)予以掃描, 因而將會(huì)出現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)針對(duì)某個(gè)下游節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的現(xiàn)象, 從而導(dǎo)致嚴(yán)重的競(jìng)爭(zhēng)沖突。

圖3 多節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)沖突Fig.3 Multi-node competition conflict

由上述分析可知, 移動(dòng)傳感網(wǎng)需要著重針對(duì)信道干涉和多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)沖突等方面予以統(tǒng)籌兼顧, 否則將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的數(shù)據(jù)傳輸抖動(dòng)現(xiàn)象, 極大地降低網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

2 本文移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法

針對(duì)移動(dòng)傳感網(wǎng)傳輸過(guò)程中存在的若干問(wèn)題, 特別是由于信道干涉及多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)而出現(xiàn)的傳輸抖動(dòng)現(xiàn)象, 本文提出了一種基于信道隨機(jī)干涉博弈機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法。算法由2個(gè)部分構(gòu)成：（1）基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除方法, 該方法主要采取信噪比閾值控制方式, 消除因信道沖突而導(dǎo)致的冗余數(shù)據(jù), 改善重疊覆蓋所導(dǎo)致的傳輸受阻現(xiàn)象；（2）基于博弈退避機(jī)制的時(shí)間匹配方法, 該方法主要采取周期匹配方式, 改善多個(gè)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)沖突, 進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

2.1 基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除

設(shè)m為移動(dòng)傳感網(wǎng)的中繼節(jié)點(diǎn), 當(dāng)節(jié)點(diǎn)m處于信道干涉狀態(tài)時(shí)初始信道信噪比InS(m)滿足如下模型：

模型（2）和模型（3）中,In(m)表示信道信號(hào)強(qiáng)度,S(m)表示信道噪聲強(qiáng)度,F(k)(ω)表示萊斯信道噪聲,T(ω)表示信號(hào)放大增益強(qiáng)度[10］。

為進(jìn)一步防止節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)干涉現(xiàn)象, 采取模型（1）, 首先獲取信道信噪比, 見(jiàn)圖4。然后獲取數(shù)據(jù)干涉信道信噪比InSmin(m), 即

圖4 基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除過(guò)程Fig.4 Redundant data elimination process based on channel frequency interference mechanism

考慮到處于干涉狀態(tài)的傳感節(jié)點(diǎn), 其覆蓋半徑Rfg(m)與最佳覆蓋半徑R(m)滿足如下關(guān)系：

模型（5）中,T表示數(shù)據(jù)傳輸周期。

進(jìn)一步考慮到移動(dòng)傳感網(wǎng)信道成型過(guò)程滿足萊斯分布條件[11］, 結(jié)合模型（3）-（5）計(jì)算可得

模型（6）中, ln表示自然對(duì)數(shù), ln[1+InS(m)]即為最低數(shù)據(jù)干涉信道信噪比, 當(dāng)節(jié)點(diǎn)按該信道信噪比調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)射, 將獲得最佳傳輸性能, 此時(shí)節(jié)點(diǎn)m將自身發(fā)射半徑設(shè)定為R(m), 可最大限度地降低信道干涉現(xiàn)象, 從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)發(fā)射。

采取基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除方法后, 傳感節(jié)點(diǎn)可按最佳信道信噪比實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送, 此時(shí)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)娜哂鄶?shù)據(jù)將能夠通過(guò)信道干涉方式予以清除, 降低網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬, 從而提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

2.2 基于博弈退避機(jī)制的時(shí)間匹配

雖然通過(guò)基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除方法可降低移動(dòng)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間出現(xiàn)的干涉現(xiàn)象, 但由于該算法主要通過(guò)調(diào)整信道信噪比的方式降低冗余數(shù)據(jù)從而改善信道沖突, 沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)間信道可能出現(xiàn)的二次干涉現(xiàn)象。因此本文針對(duì)該問(wèn)題, 采取基于博弈退避機(jī)制的時(shí)間匹配方法, 從而規(guī)避信道沖突。該機(jī)制由如下2個(gè)部分構(gòu)成。

（1）萊斯噪聲博弈消除：首先確定最低數(shù)據(jù)干涉信道信噪比ln[1+InS(m)], 按如下模型予以消除：

模型（7）和模型（8）中,F(0,m)表示節(jié)點(diǎn)m的發(fā)射功率,InS(m)表示節(jié)點(diǎn)m的初始信道信噪比, exp表示自然指數(shù)。

（2）時(shí)間匹配

獲取全網(wǎng)統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻次Time, 見(jiàn)圖5, 以便能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)點(diǎn)信道發(fā)射周期T, 即

模型（9）中,μ表示動(dòng)態(tài)參量, ln表示自然對(duì)數(shù)。信道中萊斯噪聲較弱時(shí)設(shè)定μ為1, 此時(shí)各節(jié)點(diǎn)間發(fā)射將不會(huì)處于干涉狀態(tài)。反之, 則將節(jié)點(diǎn)信道發(fā)射周期設(shè)定為T, 此時(shí)節(jié)點(diǎn)間干涉將處于最小狀態(tài)。

基于博弈退避機(jī)制的時(shí)間匹配方法執(zhí)行完畢后, 針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)逐個(gè)調(diào)整T, 可使得全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入最佳干涉狀態(tài), 從而完成信道博弈退避過(guò)程, 此時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)干涉對(duì)傳輸效果的影響將降低到最低水平。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

為驗(yàn)證所提算法性能, 采取MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境予以仿真[12］。對(duì)照實(shí)驗(yàn)組為當(dāng)前移動(dòng)傳感網(wǎng)中常用的高效均衡分布機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法[13］（Distributed Uneven Clustering Mechanism for Energy Efficient WSN, DUC-MM算法）和異構(gòu)能量預(yù)測(cè)機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法[14］（RDA-BWO：Hybrid Energy Efficient Data Transfer And Mobile Sink Location Prediction In Heterogeneous WSN, HEEDTMLP算法）。為便于對(duì)比相關(guān)算法性能, 實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境為矩形區(qū)域, 采取可移動(dòng)部署模型, 節(jié)點(diǎn)制式為5G節(jié)點(diǎn), 其中信號(hào)成型頻率為1.024 GHz。其余仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental Parameters

3.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬

圖6為所提算法、DUC-MM算法及HEEDT-MLP算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬測(cè)試結(jié)果。由圖6可知, 所提算法具有網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬較高的特點(diǎn)。這是由于所提算法針對(duì)區(qū)域重疊覆蓋導(dǎo)致的傳輸問(wèn)題, 設(shè)計(jì)了基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除方法, 通過(guò)控制信道信噪比的方式降低冗余覆蓋所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)重傳輸現(xiàn)象, 進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。特別是所提算法采取了博弈退避機(jī)制, 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)傳輸功率, 進(jìn)一步降低了網(wǎng)絡(luò)冗余數(shù)據(jù), 因此具有網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬較高的特點(diǎn)。DUCMM算法采取均衡傳輸機(jī)制, 將冗余節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分散至具有較高傳輸能力的節(jié)點(diǎn)中予以處理。不過(guò), 該算法未考慮信道干涉現(xiàn)象導(dǎo)致的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題, 信道處于干涉時(shí)各節(jié)點(diǎn)將同步進(jìn)入抖動(dòng)狀態(tài), 因而網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬難以提升。HEEDT-MLP算法基于能量最優(yōu)方案, 采取周期傳輸方式對(duì)節(jié)點(diǎn)予以休眠處理。不過(guò), 該算法同時(shí)需要較多的節(jié)點(diǎn)并發(fā)傳輸數(shù)據(jù), 冗余覆蓋水平高于所提算法, 因而該算法的網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬亦要低于所提算法。

圖6 網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬Fig.6 Network transmission bandwidth

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)累計(jì)抖動(dòng)頻次

圖7為所提算法、DUC-MM算法及HEEDT-MLP算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)累計(jì)抖動(dòng)頻次測(cè)試結(jié)果, 由圖7可知, 所提算法具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)頻次較低的特點(diǎn)。這是由于所提算法設(shè)計(jì)了基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除方法, 能夠以最佳信道信噪比方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化傳輸, 網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生概率較低, 因而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)頻次亦處于較低水平。DUC-MM算法針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象, 采取均衡化數(shù)據(jù)傳輸模型降低擁塞現(xiàn)象發(fā)生概率。不過(guò), 由于該算法未針對(duì)信道抖動(dòng)狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題予以處理, 使得信道抖動(dòng)所導(dǎo)致的傳輸擁塞現(xiàn)象較為嚴(yán)重, 提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)頻次。HEEDTMLP算法僅引入能量?jī)?yōu)化方式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)休眠, 雖然在一定程度上緩解了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)現(xiàn)象, 不過(guò)由于該節(jié)點(diǎn)采取重傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸, 信道處于干涉狀態(tài)時(shí)將會(huì)導(dǎo)致重傳輸頻繁的情形, 使得該算法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)頻次要顯著高于所提算法。

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)累計(jì)抖動(dòng)頻次Fig.7 Cumulative jitter frequency of network nodes

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法存在節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)頻次較高及網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬較低的不足, 提出了一種基于信道隨機(jī)干涉博弈機(jī)制的移動(dòng)傳感網(wǎng)安全傳輸算法。算法主要由基于信道頻率干涉機(jī)制的冗余數(shù)據(jù)消除方法和基于博弈退避機(jī)制的時(shí)間匹配方法2個(gè)部分構(gòu)成, 可顯著降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)抖動(dòng)頻次, 提升網(wǎng)絡(luò)超帶寬傳輸能力。

下一步, 將針對(duì)所提算法對(duì)低密度節(jié)點(diǎn)分布環(huán)境適應(yīng)能力較差的不足, 擬引入立體信道退避機(jī)制, 以提升所提算法信道干涉控制性能, 增強(qiáng)所提算法對(duì)移動(dòng)傳感網(wǎng)部署環(huán)境的適應(yīng)能力。