[发明专利]一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信领域，具体涉及一种无线传感器网络中基于服务质量的安全通信方法。

背景技术

参见图1的典型无线传感器网络，与有线网络相比，无线网络具有无需布线、易于维护、高度灵活、快速实施等特点，对于军事、工业、医疗等相关行业应用无疑是一个巨大的优势。随着无线通信技术的成熟与成本的降低，无线传感器网络在相关行业中的应用已经成为一个趋势。一个典型的无线传感器网络如图1所示，大量的无线传感器节点分布在现场的各个检测点上，将现场检测数据以多跳的方式传送至网关设备节点。无线传感器网络带来便利的同时，相关行业对无线传感器网络提出了更为严格保障QoS和安全性的要求。在QoS方面，部分应用业务对实时性的要求较其它应用更为严格，微小的延迟会造成重大事故，而部分应用业务对传输差错率有更为严格的要求，差错可能会导致严重的后果；在安全性方面，军事、工业等相关行业对无线传感器网络提出了很高的要求，保证数据和网络安全也是无线传感器网络亟需解决的问题。

在目前的无线通信标准中，IEEE 802.15.4以其低功耗、低成本和简单灵活等特点，已经成为最主流的无线传感器网络底层通信协议的无线标准。无线传感器网络，特别是工业无线监控网络已经成为IEEE 802.15.4的主要市场对象。IEEE 802.15.4协议定义了超帧结构，如图2的IEEE 802.15.4超帧结构所示，由CAP(Content Access Period，竞争接入时期)和CFP(Content Free Period，非竞争时期)两部分组成。

此外，参见在2003年5月发表的“Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)”中，IEEE 802.15.4协议在MAC(Medium Access Control，媒体接入控制)层上定义CAP中采取CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collusion Avoidance，载波监听多路访问/冲突避免)方式和CFP中采取GTS(Guaranteed Time Slot，保护时隙)方式，但协议未给出如何划分CAP和CFP的方法，以及多用户GTS分配的机制。此外，IEEE 802.15.4协议还定义了8种安全组件保证数据的安全性，可以根据业务本身的重要性设定其选用的安全组件，但使用安全组件会增加节点传输数据量。在实际应用系统中，部分业务不但要求较高的安全性，而且对于QoS同样有很高的要求。为此，需要针对IEEE 802.15.4设计一种基于服务质量的安全通信方法，实现CAP和CFP动态划分、多用户GTS分配和安全组件合理调用，而目前上述所需的无线通信方法尚未查阅到。

现有基于IEEE 802.15.4的GTS调度机制采用的是基于节点请求GTS的次序和时隙数目的分配原则，因此现有方案仍不能有效保证应用场景中具有控制功能或承载实时业务的节点的通信质量。

现有方案未能给出CAP和CFP边界划分的方法，因此可能导致分配的GTS不能得到有效使用，从而浪费了宝贵的时隙资源。

现有方案未联合数据安全性考虑保证服务质量的问题，因此不能有效保证同时满足部分节点的安全性和服务质量的要求。

现有方案中调度过程的计算任务主要由簇内的传感节点完成，这将耗费传感节点大量能量，进而将降低无线传感器网络的寿命。

发明内容

本发明通过设定静态和动态优先级，分别根据节点功能和承载业务划分请求GTS节点的优先级，以此来保证GTS时隙调度满足应用场景中多种业务的服务质量要求。

本发明提出CAP和CFP的动态划分方法，满足协议中定义的最小CAP长度的要求，并且根据GTS请求的变化，实现动态调整CAP和CFP的边界。

本发明结合IEEE 802.15.4提供的安全组件，利用静态优先级定义业务对应的安全性要求，提出满足节点通信服务质量的安全组件动态配置方法，以此同时保证通信的安全性和服务质量。

本发明设定由簇头完成调度算法的计算任务，以此提高无线传感器网络的整体寿命。

本发明在基于IEEE 802.15.4帧结构不变的前提下，通过对信标帧和GTS请求帧进行简单修改，即可实现本发明设计的通信方法。