基于隨機博弈機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法研究

廖慧惠，杜秀全

?

基于隨機博弈機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法研究

*廖慧惠1，杜秀全2

(1. 安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程學(xué)院，安徽，合肥 230051；2. 安徽大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽，合肥 230039)

為解決當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法存在的節(jié)點覆蓋區(qū)域沖突，讀寫性能不強，難以解決信號干涉等不足，本文提出了基于隨機博弈機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法。首先，采取信號正交調(diào)節(jié)方式，確定信道發(fā)射過程中最佳信噪比性能，且通過隨機博弈方式進(jìn)一步調(diào)節(jié)節(jié)點覆蓋半徑，降低因節(jié)點間頻率干涉而導(dǎo)致的覆蓋區(qū)域沖突及讀寫性能不強等問題，改善了節(jié)點間因工作頻段相似而導(dǎo)致頻率干涉問題；隨后，考慮到單純通過調(diào)節(jié)節(jié)點覆蓋半徑方式存在的精確化程度不夠的問題，采取調(diào)整節(jié)點發(fā)射過程中時間戳讀寫的措施，構(gòu)建時間戳讀寫規(guī)避機制，通過調(diào)整物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行信道發(fā)射過程中的時間窗口，實現(xiàn)對發(fā)射信號的精確傳送，進(jìn)一步降低了信號干涉發(fā)射的概率。仿真實驗表明：與當(dāng)前廣泛部署的節(jié)點能量感知退避算法（Node Energy Aware Backoff Algorithm，NEAB機制），時間窗口感知調(diào)整算法（Time Window Aware Adjustment Algorithm，TW2A機制）相比，本文收斂算法具有更小的網(wǎng)絡(luò)完全收斂時間與節(jié)點讀寫時間，以及更少的單節(jié)點最大收斂次數(shù)，具有很強的實際部署價值。

物聯(lián)網(wǎng); 信道規(guī)避; 最佳信噪比; 信號干涉；時間戳

0 引言

隨著以區(qū)塊鏈3.0為代表的工業(yè)化4.0新技術(shù)的不斷推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)安全收斂方案也面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)；傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)安全收斂方案忽視網(wǎng)絡(luò)攻擊-測量防御的流動特性，難以在精確匹配程度上滿足防御日益增長的安全威脅因素的需要[1]。當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法多集中在節(jié)點讀寫領(lǐng)域，因物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點主要作為數(shù)據(jù)采集節(jié)點之緣故，導(dǎo)致節(jié)點讀寫過程中收斂難度較大[2]。

為了提高物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集-傳輸過程中的性能，進(jìn)一步增強物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點讀寫過程中的安全收斂性能，研究者提出了許多具有前瞻性的研究領(lǐng)域，取得了一定的成就。Wang等[3]提出了一種基于傳輸信道漂移博弈機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法，該算法采取窄帶漂移機制，通過將物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上傳帶寬與信令傳輸分割的方式，實現(xiàn)了密集節(jié)點狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)安全收斂，且上傳帶寬性能卓越。不過，該算法的分割機制基于傳輸周期實現(xiàn)，且需要針對信令串進(jìn)行能量賦值，因此該算法的抗噪性能較差，一旦信道噪聲波動較大時，該算法的收斂性能將急劇衰退。Zhi等[4]提出了一種基于隨機裁決機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法，該算法主要采取主動廣播信息報文的方式，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)收斂過程中數(shù)據(jù)帶寬的節(jié)約，能夠顯著降低物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點出現(xiàn)讀寫故障的可能性。不過，該算法僅從傳輸報文的角度出發(fā)，考慮到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點采取廣播機制具有一定的擁塞控制難題，若網(wǎng)絡(luò)節(jié)點較多時，該算法的安全收斂性能將受到很大的影響。Catalina等[5]提出了一種基于共線度平移機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法，該算法主要通過定義狀態(tài)指針的方式實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集-傳輸過程的讀寫沖突之規(guī)避，能夠?qū)崿F(xiàn)密集節(jié)點狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)收斂，然而該算法未針對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點間串頻因素進(jìn)行收斂度提升，使其傳輸性能較差，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速安全收斂。

鑒于當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法所采取的這些機制存在的不足之處，本文提出了一種基于隨機博弈機制的物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法，該算法首先采取信道噪聲感知方式進(jìn)行博弈，確定最佳覆蓋半徑，改善信號接收過程中需要進(jìn)行的信號頻率干擾難題；隨后，通過能量-功率博弈方式匹配信道信噪比，對物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點進(jìn)行基于時間戳機制的頻率規(guī)避，大大改善了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的讀寫沖突難題，提高了網(wǎng)絡(luò)安全收斂速率。最后，采用了MATLAB仿真實驗環(huán)境，驗證了本文算法的優(yōu)越性能。

1 安全收斂模型

鑒于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點信號發(fā)射過程具有高混沌特性，其頻率漂移特性較強，實踐中一般使用超高頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫[6]。節(jié)點發(fā)射及接受過程均采用內(nèi)置天線，考慮到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點具有功率受限特性，即當(dāng)且僅當(dāng)各節(jié)點在射頻覆蓋范圍內(nèi)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點指針進(jìn)入其余節(jié)點覆蓋范圍時，該指針將通過內(nèi)置天線主動應(yīng)答各節(jié)點，通過反向代理的方式獲取其余節(jié)點的射頻信號載波頻率并將自身信息通過該載波進(jìn)行二次發(fā)射，隨后用戶通過捕捉該節(jié)點的射頻信號頻率，將控制信令傳輸至節(jié)點，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集-傳輸?shù)囊惑w化控制。

由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點均采用內(nèi)置天線進(jìn)行無線覆蓋，且覆蓋過程中存在讀寫沖突區(qū)域，見圖1，若節(jié)點分布較為集中時，不同節(jié)點間將由于射頻頻率具有相近特性而發(fā)生干涉現(xiàn)象[7]，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀寫失敗。

圖 1 節(jié)點信號覆蓋圖

1.1 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點傳輸頻率干涉現(xiàn)象

由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的傳輸頻率具有近似特性[8]，物理位置較近時將產(chǎn)生顯著的干涉效應(yīng)，見圖2，兩個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點若處于互相覆蓋范圍時，若物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點與節(jié)點隸屬的標(biāo)簽同時進(jìn)行讀寫操作時，則將由于干涉現(xiàn)象的發(fā)生而處于嚴(yán)重讀寫沖突的狀態(tài)。

圖 2 頻率干涉示意圖

1.2 多個節(jié)點間的同頻率干涉現(xiàn)象

若單一區(qū)域存在多個互相影響的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點時，見圖3，一旦某個節(jié)點隸屬的標(biāo)簽處于干涉區(qū)域時，由于多個節(jié)點同時對該標(biāo)簽進(jìn)行操作，將產(chǎn)生嚴(yán)重的讀寫干擾現(xiàn)象。實踐中往往采取載波漂移的方式，將不同的標(biāo)簽與隸屬的節(jié)點進(jìn)行再匹配[9]，但往往會存在節(jié)點傳輸性能較差的現(xiàn)象。

圖3 多節(jié)點干涉示意圖

2 本文物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法設(shè)計

針對當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)安全收斂算法存在的若干問題，特別是上述模型所示的因節(jié)點干涉導(dǎo)致的收斂性能下降等問題，如識別性能不準(zhǔn)，傳輸帶寬較低等難題，本文通過能量-功率感知方式構(gòu)建隨機博弈機制來改善。該機制分為兩部分：①基于信道信噪比的頻率干涉消除機制，該機制通過感知信道信噪比的方式對頻率干涉現(xiàn)象進(jìn)行區(qū)域消除，降低因節(jié)點處于重合區(qū)域而導(dǎo)致頻率干涉情況的發(fā)生；②時間戳讀寫規(guī)避，該規(guī)避方式主要采取時間戳匹配的方式，進(jìn)一步降低干涉現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 基于信道信噪比的頻率干涉消除機制

設(shè)為物聯(lián)網(wǎng)中處于安全收斂狀態(tài)的節(jié)點，見圖4，處于干涉狀態(tài)時的信道信噪比()滿足：

考慮到物聯(lián)網(wǎng)信道發(fā)射過程滿足拉普拉斯條件[10]，結(jié)合模型（2）~（5）可知：

由模型（6）可知，若欲降低物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點間干涉情況，則需要提高節(jié)點間的信號發(fā)射半徑；通過模型（6）的方式動態(tài)調(diào)整信號發(fā)射半徑，在最佳半徑的條件下即可保障物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點間的信號不出現(xiàn)信號干涉現(xiàn)象，從而大大提升收斂速度。

圖 4 基于信道信噪比的頻率干涉消除機制

2.2 時間戳讀寫規(guī)避機制

通過信道信噪比的頻率干涉消除機制可實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點間的最佳覆蓋，實現(xiàn)射頻發(fā)射過程中頻率干涉現(xiàn)象的消除，但由于單純通過該機制并未考慮不同節(jié)點間因信道占用而導(dǎo)致的頻率漂移現(xiàn)象，該現(xiàn)象同樣會導(dǎo)致信道干涉現(xiàn)象的發(fā)生；因此本文針對信道干涉問題，通過時間戳讀寫方式實現(xiàn)節(jié)點規(guī)避，該機制由兩個部分構(gòu)成：

①信道信噪比漂移消除

②時間戳調(diào)整

其中e為自然指數(shù)，為調(diào)節(jié)參量，表示自然對數(shù)；當(dāng)信道中無干擾時取0，此時信道發(fā)射過程中各物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點將不存在干涉現(xiàn)象；若干涉現(xiàn)象發(fā)生時有的時間長度處于待發(fā)射狀態(tài)，即待發(fā)射狀態(tài)下物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點按照時間頻率進(jìn)行信號發(fā)射，將不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，見圖5。