LR-WPAN 802.15.4协议MAC的安全体系

近年来短距离无线通信技术成为通信领域热点之一,其主要特征是低功耗、低成本和低数据率。详细分析IEEE低速无线个人区域网(LR-WPAN)协议802.15.4安全架构中的MAC安全帧结构、MAC PIB安全属性、安全服务和安全机制,讨论其安全工作模式下的安全组件并给出帧完整性验证和数据加密方法实施流程。介绍了ZigBee/IEEE802.15.4应用发展现状及趋势,指出安全性是其产品发展的重要组成部分,安全组件性能分析和密钥管理体制是今后的研究重点。

LR-WPAN 802.15.4协议MAC的安全组件研究

介绍IEEE低速无线个人区域网(LR-WPAN)协议802.15.4安全体系中的安全模式、访问控制(ACL)入口及安全服务。提出工作在安全模式最高级别的AES-CCM组件输出/输入帧验证和加/解密的具体实施方法,并进行时间性能实验。工作环境资源受限情况下,可裁减和分级安全体系可满足不同应用中的安全需求。

IEEE 802.15.4非信标使能模式在车联网中的性能评估

车联网是车与车之间广泛使用的网络技术,是车与车之间经济、高效的通讯渠道。IEEE 802.15.4由一层简单物理层和一层节能型介质访问控制层所组成,是当前所有通讯标准中车联网网络的最佳选择。基于此,这里选择适合车联网的IEEE 802.15.4非信标使能模式作为分析模型,将其应用于车联网中,具体包含非饱和通讯量模式和大型网络,并分别研究了IEEE 802.15.4适合车联网的非信标使能模式的性能,这对车辆积极调整广播速度,在车与车之间联网通讯中取得更高的成功具有一定的参考价值。

Simulation Study of the Influence of the Hidden and Exposed Stations for the Efficiency of IEEE 802.15.4 LR-WPAN Networks

This article presents an analysis of wireless personal area networks with low transmission rate, utilized more and more often in industrial or alarm systems, as well as in sensor networks. The structure of these systems and available ways of transmission are defined by the IEEE 802.15.4 standard. The main characteristics of this standard are given in the first part of this article. The second part contains the description of simulation tests that have been realized. Their results make available an evaluation of the effective transmission rate of a transmission channel, the resistance to the phenomenon of hidden station as well as sensibility to the problem of the exposed station.

基于强化学习的IEEE802.15.4网络区分服务策略

为了弥补IEEE 802.15.4协议原有区分服务机制的不足,提出了一种基于BCS(backoff counter scheme)与强化学习的区分服务策略。从终端节点出发,在原优先级区分服务策略的基础上增加BCS退避策略以解决流量较大场合业务区分问题;针对协调器节点,提出了基于强化学习的占空比调整策略,该策略能根据不同应用需求和环境变化自适应调整占空比。仿真结果表明,提出算法能针对不同环境满足高优先级业务性能需求,并能根据流量变化进行占空比调整,具有极强环境适应性。

非饱和态802.15.4网络吞吐量建模分析

IEEE802.15.4是目前无线传感器网络中的主要协议,实际应用中由于无线传感器网络的工作特点,这类802.15.4网络多工作于非饱和态,而现有的对其建模研究通常假设网络处于饱和态。在分析时隙CSMA/CA的IEEE802.15.4MAC协议基础上,使用M/C/1/K排队系统理论,建立了新的Markov链模型。并在此基础上,推导出网络的吞吐量表达式。仿真结果表明,该模型能准确反映网络吞吐量的变化。

基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络

设计实现了一种基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络,传感器对周围的环境进行监测,内嵌的单片机对数据进行处理,通过基于IEEE802.15.4标准的无线模块进行无线传输,构成一个无线传感器网络。对无线传感器的结构设计和无线传输网络的具体实现过程进行了阐述,最后,给出了实验数据,并进行了分析。

双射频多信道802.15.4传感器网络节点性能研究

随着传感器网络中节点密度的增大和跳数的增加,单信道802.15.4网络容量急剧下降,一种有效的解决方法是为网络中每个节点装配多个射频。介绍了双射频多信道802.15.4传感器网络节点的设计,详细分析了链式拓扑中单跳和多跳802.15.4网络吞吐量的理论上限,最后对单跳和多跳802.15.4网络吞吐量和时延进行了实际测量。结果表明,使用多射频多信道方案能够显著提高网络性能。

基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络性能分析

通过将IEEE 802.15.4标准中的超帧与无线传感器网络的LEACH协议结合,在星型网络拓扑下,网络节点通过申请超帧中的GTS来进行无冲突的数据通信,对使用GTS传输数据的这一过程进行了研究,从理论上分析了无线传感器网络的网络性能。仿真结果说明了网络控制参数对网络性能的影响,为今后无线传感器网络应用中的参数配置提供了一定的理论基础。

基于优先级的IEEE802.15.4 CSMA/CA建模与分析

针对基于IEEE 802.15.4协议CSMA/CA机制的实时监测系统,为了分析CSMA/CA参数设置对网络性能的影响,建立了一个引入优先级信号处理的马尔可夫链数学模型,分析和比较了分别设置优先级信号和普通信号的协议参数,对优先级信号实时性和整体网络性能的影响。结果表明,综合考虑网络规模和网络中信号产生情况,合理地分别设置两种信号的CSMA/CA协议参数,可以提高优先级信号的实时性,而对普通信号的影响较小。

基于马尔可夫链的IEEE 802.15.4网络防丢包信道访问机制研究

为了降低IEEE 802. 15. 4MAC层数据帧丢包率,在分析丢包率的原因基础上,提出了一种基于Markov链的信道竞争机制模型。通过对网络发送、退避和信道检测状态的稳态概率进行数学推导,研究了信道碰撞和数据帧的丢包率分析式,研究了参数数据包到达速率、节点数量、误码率、后退指数、后退等待次数对碰撞概率和丢包率的影响。实验结果表明,与节点无休眠态的IEEE 802. 15. 4网络相比,节点丢包率平均降低了23. 7%,模型较好地描述了提出的MAC层信道访问机制,合理的网络参数设置能够优化数据帧丢包率,研究结果对无线传感网的应用提供了可靠传输优化参考。

改进的IEEE 802.15.4组网协议算法

分析了IEEE 802.15.4网络初始化的流程,并提出了一种改进的协议算法.通过设置协调器进行处理,有效地减少协议的冗余信令,避免了不必要的冲突,减少了节点加入网络的延迟.最后通过仿真对原协议和改进算法进行比较,得出节点加入过程的原语数减少了31%,加入时间减少了84%.当多个节点在较短时间内都进行加入操作时,改进算法的优势更加显著.这种改进算法能在家庭网络中得到很好的应用.

基于节点特性的LR-WPAN网络能量优化路由算法

针对ZigBee网络混合路由算法的不足,考虑低速无线个域网(LR-WPAN)网络的能耗问题,提出了一种基于ZBR路由协议的改进算法(F-ZBR)。本算法通过定义最小路由能量值和控制路由请求分组(RREQ)的传输方向、跳数以及在RREQ分组中加入能量标志位等措施,降低网络的整体能耗。仿真结果表明,F-ZBR算法的分组投递率、网络可用节点比率和网络剩余能量都较ZBR有明显提高,从而可以延缓ZigBee网络中大量数据传输造成的RN+节点能量过度损耗而导致的网络瘫痪等问题的发生,延长网络生命周期。

移动Sink传感网中基于IEEE 802.15.4的拓扑控制与路由

针对查询驱动的移动Sink无线传感器网络,基于IEEE 802.15.4标准,提出了一个联合簇树组网和移动路由的跨层协议设计方案。以能耗、网络连通度、负载均衡和子树深度等指标为评价因子,在多目标优化模型下定义了一个拓扑综合评价函数,构建稳定的最优簇树网络结构;改进了IEEE 802.15.4 MAC中基于信标帧调度的分布式睡眠同步算法,维护较低占空比下的网络同步与拓扑修正;利用拓扑形成过程中依"最早信标帧"、"最好链路"、"最小层次"3种准则确立的父子关系,建立移动Sink与N-Hop范围内节点的双向路由路径。最终将上述MAC层的拓扑控制方案与网络层的查询路由方法完整实现于TinyOS协议栈中。实验结果表明,评价函数能够有效地反映组网质量,N-Hop后验式路由结合睡眠同步机制,在"最好链路"拓扑下表现出较高的能量效率。

低速无线个人区域网802.15.4的安全研究

短距离无线通信技术近年来成为通信领域热点,其主要特征是低功耗、低成本和低数据率,可广泛应用于军事、工业控制、精准农业及医学等领域的无线传感器网络构建,将会在未来的后PC即普适计算时代发挥重要作用。同时,由于其开放传输信道和"三低"特性,安全性成为保证短距无线通信网络健壮稳定运行的关键"基石"。针对低速无线个人区域网(LR-WPAN)802.15.4,详细分析其安全架构,根据最高安全级别组件AES-CCM的底层加密算法AES和泛型CCM模式,结合安全帧格式,提出了一种AES-CCM实施的输入分组模型,并进行时间性能对比实验。针对LR-WPAN可能存在的攻击和802.15.4潜在的安全问题,提出相应的改进措施。

基于IEEE802.15.4e标准的工业物联网安全时间同步策略

IEEE802.15.4e是一个面向工业物联网应用的MAC层标准,其采用时间同步关键技术实现高可靠、低功耗的工业无线网络.网络空间中存在各式各样攻击,由于时间同步机制是工业无线网络中的核心支撑技术,其可能成为首选的攻击目标.假如攻击者对时间同步协议发起攻击,破坏节点之间的同步,将导致网络通信、节点定位以及数据融合等方面应用不能正常工作.针对基于IEEE802.15.4e标准的工业物联网中时间同步协议安全性不足问题,提出了一个安全时间同步策略.首先,提出了Sec_ASN算法保护单跳的ASN时间同步和TOF算法保护单跳的Device-to-Device时间同步;其次,提出了Rank-based入侵检测算法保护多跳时间同步;最后通过理论分析和实验测试证明,该安全时间同步策略具有时间同步精度高和开销低特点,并且能有效防御外部攻击和内部攻击.

基于重传的802.15.4网络MAC层丢包率研究

为了降低802.15.4网络数据帧的丢包率,分析了基于重传机制的丢包率问题,提出MAC层节点工作过程的数学模型,并分析推导了节点主要工作状态的稳态概率;然后对数据帧重传概率和丢包率进行数学分析;最后通过实验比较了MAC层参数minBE、NB和网络环境参数λ、N、BER对重传概率和丢包率的影响。结果表明,与无重传机制的数据传输性能比较,节点丢包率平均降低了88.9%,模型准确反映了节点的数据传输特点,均衡的参数部署有效地提高了数据传输成功率,理论研究为802.15.4标准的应用提供了参考。

基于减少偷听的IEEE 802.15.4网络节点能耗降低方法

为了优化IEEE 802.15.4 MAC协议能耗性能,针对IEEE 802.15.4 MAC协议存在的空闲偷听现象浪费节点能量问题,提出一种基于减少偷听的降耗方法:节点于超帧竞争接入时期内的退避时期适时地进入休眠状态。应用该方法建立了IEEE 802.15.4 MAC时隙CSMA/CA机制的Markov模型,并对模型进行了数学推导。基于本模型,对网络节点平均能耗进行了数学分析。理论分析和仿真结果表明,该模型有效地降低了节点的平均能量消耗和空闲偷听时间,协议性能得到有效改善。

一种用于低功耗低成本的IEEE802.15.4接收器的新颖解调算法(英文)

提出了一种基于低中频、适用于ISM2.4GHz频段ZigBee接收机的新型解调算法,满足IEEE802.15.4标准。作为数字相位解调,本算法采用相位差分、频率补偿和符号恢复,不用分别恢复出I路和Q路的码序列,而直接提取出相位斜率码,恢复出符号,从而简化了解调结构、降低了功耗和成本。通过与零中频过零检测算法的比较,本算法具有更低复杂度,更好的误符号率和误包率,完全满足IEEE802.15.4/ZigBeeTM标准的要求。

IEEE 802.15.4网络的IPv6报头压缩研究

研究IETF草案在IEEE 802.15.4网络进行IPv6分组的传输的基础上,提出了一种基于IEEE 802.15.4网络的IPv6报头压缩方案.通过修改适配层帧格式及使用路由标识符,该方案的压缩报头比草案的压缩报头小7个字节,并且它兼容现有IETF草案.在实验平台上的测试结果表明,使用本方案能够延长节点生存期.