物联网中基于网络编码的WSN数据传输技术

物联网是将各种信息传感设备与互联网结合起来形成的巨大网络，它的研发目前受到了国际上广泛关注。无线传感网（WSN）是物联网技术体系中非常关键的一环。针对现有WSN无法适用于物联网环境的各个主要问题，为实现WSN与互联网的整合，使WSN的数据传输技术能适应物联网的应用需求。本课题在物联网环境中基于网络编码研究WSN数据传输技术。首先建立一套适用于物联网的WSN数据传输模型，将WSN传输技术的研究分成三大模块进行- - 传输模块、特殊功能模块、维护模块。然后，针对每一个模块进行研究，提出物联网环境下具有长网络寿命、实用安全性、强鲁棒性和高吞吐量的WSN数据传输协议；并研究传输协议对物联网拓扑结构变化的环境的兼容性；制订一套适用于物联网的WSN状态监控策略，对节点失效的高发区域进行有效管理。最后，本课题将通过实验证实所提模型和技术的正确性与有效性。

本项目在物联网环境下研究了基于网络编码的WSN数据传输技术。针对物联网中数据传输协议应当具备的长网络寿命、实用安全性、强鲁棒性、高吞吐量这四个性质，从数据传输过程中涉及到的数据收集、数据分发、数据交换三种传输方式的角度，分别设计出了符合上述要求的数据传输协议。在数据收集方面，本项目分别研究了平面拓扑和分层拓扑种不同网络中延长网络寿命的数据收集协议，通过网络编码，用计算能耗代替通信能耗，从整体上降低节点传输数据过程中的能量消耗，从而延长网络寿命；在数据分发方面，提出了基于网络编码的广播协议，更加适用于拓扑变化的WSN环境，采用随机网络编码提高对网络环境的兼容性进而提高了网络鲁棒性，在网络链路传输失败时减少重传次数，进而延长了网络寿命；在数据交换方面，首先提出了基于能量的数据交换协议，在中间的路由选择阶段，引入了一个基于编码机会、节点剩余能量和QoS的评价数值TOPSIS，使得网络编码的优势在协议中能充分体现并在一定程度上均衡网络中节点的能量，增加网络的寿命。考虑到WSN网络拓扑易变性，在单路径的基础上研究了一种基于编码机会判断的多路径数据交换协议，该方法可以解决单路径路由协议的一个不足，即路径断开就需要发起新的路由发现，进而减小网络开销。最后本项目研究了基于网络编码的安全数据传输技术。提出了一种基于网络编码的安全数据采集技术可以提供安全的数据更新与采集功能。此外还设计一种基于公钥签名算法以及物理不可复制功能（PUF）的无线传感器网络节点双向身份认证方法，可以避免网内不诚实节点的欺骗攻击以及网外节点伪装为可信节点进行攻击，为数据传输提供了安全保障。.本项目完成了所有的研究目标。本项目在研究过程中共培养了5名博士和6名研究生，其中4名博士和5名研究生已经毕业。申请国家专利三项，共发表了36篇论文，其中SCI检索5篇，EI检索22篇，编写相关教科书一本。此外本项目子课题负责人还与加拿大滑铁卢大学就网络编码相关技术进行了为期一年的交流，与澳大利亚CSIRO的刘仁平教授就物联网传输技术进行了多次交流合作。