失效網絡中節點可通信性能評估方法研究

耿麗麗

摘 要： 研究失效網絡中節點的可通信性能評估方法，實現對網絡通信系統的優化設計，提高網絡的安全性能。提出一種基于VXI總線交互式動態配置的失效網絡中節點可通信性能評估系統設計方法，構建無線網絡的實體對象模型，進行通信系統的總體設計描述，采用分數間隔均衡匹配濾波檢測方法進行網絡失效節點的檢測設計，提高網絡的抗干擾性能，在此基礎上對失效網絡中節點定位模塊進行硬件電路設計，實現了失效網絡中節點可通信性能評估。實驗結果表明，采用該設計方法進行失效網絡中節點可通信性能評估，能提高網絡的抗干擾性能，節點通信的誤碼率降低到最小，提高網絡數據傳輸的吞吐量，提高網絡安全性，展示了較好的應用價值。

關鍵詞： 網絡安全； 通信系統； 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

隨著網絡信息技術的發展，采用無線網絡通信技術進行數據傳輸和信號通信成為未來保密通信傳輸的重點發展趨勢，在無線網絡通信中，由于網絡的自組織特征和分布性特點，導致網絡容易遭到外界非法入侵和攻擊，產生網絡失效和通信中斷。無線網絡采用以太網接口支持網關以10 Mb/s，100 Mb/s 自適應信號傳輸和通信數據調度，這一過程中由于受到網絡的攻擊，導致網絡失效，需要通過網絡中節點的可通信性能評估方法，實現對網絡通信系統的優化設計，提高網絡的安全性能，研究相關的系統設計方法受到人們的重視。

傳統方法中，對失效網絡中節點的通信性能優化評估方法有基于BP神經網絡控制的失效網絡中節點自組織定位方法、基于RS 232接口調試和VIX總線數據調度的通信性能評估和系統設計方法、基于嵌入式網關ARM處理的無線網絡通信系統設計方法等[1?3]，上述方法在進行無線網絡的通信系統設計過程中，由于沒有采用失效節點的優化定位模塊設計，導致在網絡遭到入侵的情況下對失效節點的評估性能不好，網絡的安全性和魯棒性不佳。對此，相關文獻進行了系統的改進設計，其中，文獻[4]提出一種基于三端線性穩壓控制的失效網絡節點通信性能評估模型，進行了無線網絡通信系統的優化設計，提高了網絡傳輸的吞吐量，導致該設計方法需要的存儲開銷過大，系統的集成度不高，性能不好。文獻[5]提出一種基于頻譜混疊分離的失效網絡中節點可通信性能評估方法，對網絡系統中的抽樣信號進行頻譜混疊失真抑制處理，實現對失效網絡節點的準確定位和挖掘，在此基礎上進行通信系統優化設計，提高了系統的安全性和兼容性，但是該系統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總線交互式動態配置的失效網絡中節點可通信性能評估系統設計方法，構建無線網絡的實體對象模型，進行通信系統的總體設計，采用分數間隔均衡匹配濾波檢測方法進行網絡失效節點的檢測設計，提高網絡的抗干擾性能，在此基礎上對失效網絡中節點定位模塊進行硬件電路設計，實現了失效網絡中節點可通信性能評估。最后通過仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文設計系統的優越性能。

1 無線網絡通信的實體對象模型及系統總體設

計描述

1.1 無線網絡通信的實體對象模型

為了實現對失效網絡中節點可通信性能評估，進行無線網絡通信系統的優化設計，首先需要構建無線網絡通信的實體對象模型。無線通信網絡包括4類基本實體對象：目標、觀測節點、信道均衡模塊和數據感知節點，通過遠程任務管理單元構建自組織網絡結構[7?10]。傳感節點與觀測節點進行交互，獲取無線通信網絡感興趣的對象及其屬性。網絡通過觀測節點發布查詢請求，部署在監測區域的應用支撐層采用異構節點組成，實現遠程訪問和網絡查詢、管理。無線通信網絡的體系結構設計如圖1所示。

圖1 無線通信網絡的體系結構

無線通信網絡應用支撐層、網絡基礎設施和網絡應用業務層構成了無線通信網絡的實體模型結構。網絡適配層部署在無線通信網絡節點中，完成無線通信網絡接入服務。配置中間件完成無線通信網絡的各種配置工作，例如路由配置，拓撲結構的調整等。無線通信網絡中間件和平臺軟件采用層次化、模塊化的自組織網絡技術，提高了無線通信網絡數據管理能力。無線通信網絡中的節點數目眾多，在受到網絡攻擊的時候，容易導致通信節點失效，由于節點高密度部署，網絡需要根據用戶通信協議層進行節點定位，在鏈路層、網絡層、傳輸層中進行數據傳輸和通信的移動性管理和任務管理。無線通信網絡的傳輸介質可以是無線、紅外或者光介質。數據鏈路層通過媒體訪問控制（MAC）層協議提供有效的通信鏈路，在網絡發送節點和接收節點之間進行路由設計。文件級CDP工作在代理端，數據鏈路層標記數據并發送到原CDP系統模型中，進行通信系統的功能切換和數據存儲及組織管理。

無線通信網絡系統通過應用感知技術對數據進行監控，EBRS（Event Based CDP Restore System）是以原CDP系統模型為基礎，插入事件標簽來完成數據的一致性控制，進行失效網絡中節點的可通信能力評估，并對日志進行存儲和管理。綜上分析，得到無線網絡通信的實體對象模型框圖描述如圖2所示。

1.2 無線網絡通信系統的總體設計描述

在上述構建的無線通信網絡總體結構模型設計的基礎上，進行無線網絡通信系統設計，無線網絡通信系統的總體結構模型由下面幾個部分組成：

（1） 計算元件（CE）：代表無線通信網絡網格的計算資源。

（2） 存儲元件（SE）：對原始通信數據進行特征采集，對本地信息進行UNIX內核的寫入。

（3） MANTIS OS調度器（RB）：獲取足夠的堆棧空間，根據選擇的任務進行動態重編程，內核使用事件驅動，分配給每個任務適當的站點。

副本管理器在無線通信網絡系統設計中，為了滿足網絡失效狀態下的程序動態下載功能，對每個節點進行程序與服務的動態加載，控制數據的傳輸，設計事件驅動機制，為訪問副本目錄在內核中提供可裝載程序。

根據上述總體設計方案，在TinyOS的體系結構的基礎上構建無線通信網絡系統，采用嵌入式無線通信網絡設計方法，系統由一個調度器和EBRS Server組件組成。通過Time Marker構建硬件抽象組件。TinyOS的組件層次采用網絡協議棧負責數據打包和路由的分發，在無線通信網絡系統中，失效網絡節點的路由和傳輸數據的資源體系結構如圖3所示。

圖3中，TinyOS組件庫通過NCC編譯器的編譯進行軟件設計，為了保證每一個節點的通信性能，調用runNextTask（TRUE）進行task或者post關鍵詞聲明，自動完成連線工作，通過TaskBasic的接口定義，進行TaskBasic接口的通信協議設計和調度，得到無線通信網絡nesC編譯的調度程序如下：

根據上述接口程序設計，基于VXI總線交互式動態配置方法，運行RunTask事件進入無限循環任務，實現無線通信網絡的均衡濾波處理，提高通信網絡的信道均衡性能。綜上分析，得到本文設計的無線網絡通信系統的TinyOS通信架構如圖4所示。

在上述進行了系統的實體模型分析和系統總體設計的基礎上，進行系統的模塊化設計和軟件設計，為實現失效網絡節點的可通信性能評估提供模型基礎。

2 系統的硬件設計與實現

2.1 無線通信網絡系統的通信信道均衡器設計

構建無線網絡的實體對象模型，進行通信系統的總體設計描述，采用分數間隔均衡匹配濾波檢測方法進行網絡失效節點的檢測設計，提高網絡的抗干擾性能，在此基礎上對失效網絡中節點定位模塊進行硬件電路設計，為了提高無線通信網絡的抗干擾性能，避免網絡攻擊帶來的節點失效，首先進行信道均衡濾波處理，設計自適應均衡器進行無線網絡通信的信道均衡，基于VXI總線交互式動態配置，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的，使用濾波器來濾除因為網絡節點失效帶來的失真脈沖。自適應均衡器一般包含兩種工作模式，即訓練模式和跟蹤模式。在本文設計中，采用訓練模式進行幅度均衡，對失效網絡節點的通信信道進行自適應均衡，設計相位均衡器，用以校正相?頻特性，得到失效節點的時延?頻率特性結果。在信道均衡過程中，自適應算法所采用的最優準則有最小均方誤差（LMS）準則，在動態調整濾波器的階數的時候補償信道的深度零點，實現對失效網絡的惡劣信道判決，提高節點的橫向均衡性能，無線網絡信道均衡算法設計過程描述如下：

（1） 設置參數

[L]為抽頭參量（即濾波器長度）；m為非平穩性迭代步長，[0

（2） 初始化系數設置

通常，令權重系數[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。

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

[en=dn-wHn?xnwn+1=wn+μ?xn?en]

在上述算法設計和框圖設計的基礎上，采用VXI總線模塊，結合SCPI驅動儀器，得到本文設計的無線通信網絡的失效網絡節點通信信道均衡器的硬件電路如圖6所示。

2.2 失效網絡中節點可通信性能評估控制器設計

在上述均衡器模塊設計的基礎上，進行失效網絡節點的通信性能評估的控制器設計，主控制器是整個系統的核心，為了達到高性能、低功耗網絡通信控制的目的，采用以ARM920T為核心的32位RISC微處理器構建失效網絡中節點可通信性能評估控制器電路。無線通信系統的供電電壓為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絡模塊進行Linux內核映像處理，使用前面提到的調度和網絡節點定位策略，采用層次化的網格結構進行通信性能的評估，對連通性差的節點定位調制。在此基礎上，采用2片SDRAM芯片UART0并聯構建32 位的CrossBowRAM存儲器，失效網絡中節點可通信性能評估控制器的電路設計圖如圖7所示。

由圖7可知，失效網絡中節點可通信性能評估控制器的電路集成有LCD控制器，另接DM9000網絡變壓器，進行以太網通信的接口電路的串口通信，在Linux操作系統中進行時序信號分析和數據顯示，實現對失效網絡節點的可通信性能的評估和網絡通信優化設計。

3 系統仿真實驗與性能測試

為了測試本文設計的無線通信網絡系統在網絡失效時節點的可通信性能優化控制和評估中的應用，進行仿真實驗。實驗中，系統軟件的開發平臺采用開放源碼的Linux操作系統，系統主程序的編寫采用Linux內置TCP/IP協議設計并實現數據通信，失效網絡節點從telosB節點到本機TCP端口的轉發過程中以fpacket.cpp為數據包寫入指定長度的數據，讀寫進程之間采用TCPComm類函數完成控制程序的加載，系統仿真的軟件實現流程如圖8所示。

根據上述仿真環境和參數設定，進行失效網絡節點的通信性能測試和評估，通過 Internet/Intranet對通信數據進行實時監測和采樣，得到失效網絡節點通信數據的時域采樣波形如圖9所示。

根據上述對失效網絡節點的通信數據采樣，以此為訓練集，進行通信性能評估，以節點通信的誤碼率和吞吐性能為測試指標，得到仿真結果如圖10所示，從圖10可知，采用該設計方法進行失效網絡中節點可通信性能評估，能提高網絡的抗干擾性能，節點通信的誤碼率降低到最小，提高網絡數據傳輸的吞吐量，提高網絡安全性，展示了較好的應用價值。

4 結 語

本文研究了失效網絡中節點的可通信性能評估方法，提出一種基于VXI總線交互式動態配置的失效網絡中節點可通信性能評估系統設計方法，構建無線網絡的實體對象模型，進行通信系統的總體設計描述，進行無線網絡信道均衡濾波器、通信信道均衡器、失效網絡中節點可通信性能評估控制器等模塊的設計，實現了失效網絡中節點可通信性能評估。研究成果表明，采用該系統設計方法，能提高網絡的抗干擾性能，降低通信誤碼率，提高網絡數據傳輸的吞吐性，提高網絡安全傳輸通信能力，確保網絡數據通信的安全，展示了較好的應用前景。

圖10 失效網絡節點的可通信性能對比

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