失效网络中节点可通信性能评估方法研究

耿丽丽

摘 要： 研究失效网络中节点的可通信性能评估方法，实现对网络通信系统的优化设计，提高网络的安全性能。提出一种基于VXI总线交互式动态配置的失效网络中节点可通信性能评估系统设计方法，构建无线网络的实体对象模型，进行通信系统的总体设计描述，采用分数间隔均衡匹配滤波检测方法进行网络失效节点的检测设计，提高网络的抗干扰性能，在此基础上对失效网络中节点定位模块进行硬件电路设计，实现了失效网络中节点可通信性能评估。实验结果表明，采用该设计方法进行失效网络中节点可通信性能评估，能提高网络的抗干扰性能，节点通信的误码率降低到最小，提高网络数据传输的吞吐量，提高网络安全性，展示了较好的应用价值。

关键词： 网络安全； 通信系统； 匹配滤波器； 误码率

中图分类号： TN926?34； TN911 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）22?0027?05

0 引 言

随着网络信息技术的发展，采用无线网络通信技术进行数据传输和信号通信成为未来保密通信传输的重点发展趋势，在无线网络通信中，由于网络的自组织特征和分布性特点，导致网络容易遭到外界非法入侵和攻击，产生网络失效和通信中断。无线网络采用以太网接口支持网关以10 Mb/s，100 Mb/s 自适应信号传输和通信数据调度，这一过程中由于受到网络的攻击，导致网络失效，需要通过网络中节点的可通信性能评估方法，实现对网络通信系统的优化设计，提高网络的安全性能，研究相关的系统设计方法受到人们的重视。

传统方法中，对失效网络中节点的通信性能优化评估方法有基于BP神经网络控制的失效网络中节点自组织定位方法、基于RS 232接口调试和VIX总线数据调度的通信性能评估和系统设计方法、基于嵌入式网关ARM处理的无线网络通信系统设计方法等[1?3]，上述方法在进行无线网络的通信系统设计过程中，由于没有采用失效节点的优化定位模块设计，导致在网络遭到入侵的情况下对失效节点的评估性能不好，网络的安全性和鲁棒性不佳。对此，相关文献进行了系统的改进设计，其中，文献[4]提出一种基于三端线性稳压控制的失效网络节点通信性能评估模型，进行了无线网络通信系统的优化设计，提高了网络传输的吞吐量，导致该设计方法需要的存储开销过大，系统的集成度不高，性能不好。文献[5]提出一种基于频谱混叠分离的失效网络中节点可通信性能评估方法，对网络系统中的抽样信号进行频谱混叠失真抑制处理，实现对失效网络节点的准确定位和挖掘，在此基础上进行通信系统优化设计，提高了系统的安全性和兼容性，但是该系统在混叠谱处存在零点的时候，符号间隔均衡器将放大该频率点处的噪声，影响通信的信道均衡性[6]。针对上述问题，本文提出一种基于VXI总线交互式动态配置的失效网络中节点可通信性能评估系统设计方法，构建无线网络的实体对象模型，进行通信系统的总体设计，采用分数间隔均衡匹配滤波检测方法进行网络失效节点的检测设计，提高网络的抗干扰性能，在此基础上对失效网络中节点定位模块进行硬件电路设计，实现了失效网络中节点可通信性能评估。最后通过仿真实验进行了性能验证，展示了本文设计系统的优越性能。

1 无线网络通信的实体对象模型及系统总体设

计描述

1.1 无线网络通信的实体对象模型

为了实现对失效网络中节点可通信性能评估，进行无线网络通信系统的优化设计，首先需要构建无线网络通信的实体对象模型。无线通信网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点、信道均衡模块和数据感知节点，通过远程任务管理单元构建自组织网络结构[7?10]。传感节点与观测节点进行交互，获取无线通信网络感兴趣的对象及其属性。网络通过观测节点发布查询请求，部署在监测区域的应用支撑层采用异构节点组成，实现远程访问和网络查询、管理。无线通信网络的体系结构设计如图1所示。

图1 无线通信网络的体系结构

无线通信网络应用支撑层、网络基础设施和网络应用业务层构成了无线通信网络的实体模型结构。网络适配层部署在无线通信网络节点中，完成无线通信网络接入服务。配置中间件完成无线通信网络的各种配置工作，例如路由配置，拓扑结构的调整等。无线通信网络中间件和平台软件采用层次化、模块化的自组织网络技术，提高了无线通信网络数据管理能力。无线通信网络中的节点数目众多，在受到网络攻击的时候，容易导致通信节点失效，由于节点高密度部署，网络需要根据用户通信协议层进行节点定位，在链路层、网络层、传输层中进行数据传输和通信的移动性管理和任务管理。无线通信网络的传输介质可以是无线、红外或者光介质。数据链路层通过媒体访问控制（MAC）层协议提供有效的通信链路，在网络发送节点和接收节点之间进行路由设计。文件级CDP工作在代理端，数据链路层标记数据并发送到原CDP系统模型中，进行通信系统的功能切换和数据存储及组织管理。

无线通信网络系统通过应用感知技术对数据进行监控，EBRS（Event Based CDP Restore System）是以原CDP系统模型为基础，插入事件标签来完成数据的一致性控制，进行失效网络中节点的可通信能力评估，并对日志进行存储和管理。综上分析，得到无线网络通信的实体对象模型框图描述如图2所示。

1.2 无线网络通信系统的总体设计描述

在上述构建的无线通信网络总体结构模型设计的基础上，进行无线网络通信系统设计，无线网络通信系统的总体结构模型由下面几个部分组成：

（1） 计算元件（CE）：代表无线通信网络网格的计算资源。

（2） 存储元件（SE）：对原始通信数据进行特征采集，对本地信息进行UNIX内核的写入。

（3） MANTIS OS调度器（RB）：获取足够的堆栈空间，根据选择的任务进行动态重编程，内核使用事件驱动，分配给每个任务适当的站点。

副本管理器在无线通信网络系统设计中，为了满足网络失效状态下的程序动态下载功能，对每个节点进行程序与服务的动态加载，控制数据的传输，设计事件驱动机制，为访问副本目录在内核中提供可装载程序。

根据上述总体设计方案，在TinyOS的体系结构的基础上构建无线通信网络系统，采用嵌入式无线通信网络设计方法，系统由一个调度器和EBRS Server组件组成。通过Time Marker构建硬件抽象组件。TinyOS的组件层次采用网络协议栈负责数据打包和路由的分发，在无线通信网络系统中，失效网络节点的路由和传输数据的资源体系结构如图3所示。

图3中，TinyOS组件库通过NCC编译器的编译进行软件设计，为了保证每一个节点的通信性能，调用runNextTask（TRUE）进行task或者post关键词声明，自动完成连线工作，通过TaskBasic的接口定义，进行TaskBasic接口的通信协议设计和调度，得到无线通信网络nesC编译的调度程序如下：

根据上述接口程序设计，基于VXI总线交互式动态配置方法，运行RunTask事件进入无限循环任务，实现无线通信网络的均衡滤波处理，提高通信网络的信道均衡性能。综上分析，得到本文设计的无线网络通信系统的TinyOS通信架构如图4所示。

在上述进行了系统的实体模型分析和系统总体设计的基础上，进行系统的模块化设计和软件设计，为实现失效网络节点的可通信性能评估提供模型基础。

2 系统的硬件设计与实现

2.1 无线通信网络系统的通信信道均衡器设计

构建无线网络的实体对象模型，进行通信系统的总体设计描述，采用分数间隔均衡匹配滤波检测方法进行网络失效节点的检测设计，提高网络的抗干扰性能，在此基础上对失效网络中节点定位模块进行硬件电路设计，为了提高无线通信网络的抗干扰性能，避免网络攻击带来的节点失效，首先进行信道均衡滤波处理，设计自适应均衡器进行无线网络通信的信道均衡，基于VXI总线交互式动态配置，得到滤波器框图描述如图5所示。

均衡器通常是用滤波器来实现的，使用滤波器来滤除因为网络节点失效带来的失真脉冲。自适应均衡器一般包含两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。在本文设计中，采用训练模式进行幅度均衡，对失效网络节点的通信信道进行自适应均衡，设计相位均衡器，用以校正相?频特性，得到失效节点的时延?频率特性结果。在信道均衡过程中，自适应算法所采用的最优准则有最小均方误差（LMS）准则，在动态调整滤波器的阶数的时候补偿信道的深度零点，实现对失效网络的恶劣信道判决，提高节点的横向均衡性能，无线网络信道均衡算法设计过程描述如下：

（1） 设置参数

[L]为抽头参量（即滤波器长度）；m为非平稳性迭代步长，[0

（2） 初始化系数设置

通常，令权重系数[w0=0]。

（3） 计算方程及递推公式

增益向量矢量为：

[xn=xn，xn-1，…，xn-L+1T]

在[n]时刻均衡器的收敛速度为[L×1]抽头输入向量。

计算时变系统的跟踪速度[wn+1]：[n+1]时刻抽头权向量估计对[n=0，1，2，…，]得到自适应信道均衡的递推公式为：

[en=dn-wHn?xnwn+1=wn+μ?xn?en]

在上述算法设计和框图设计的基础上，采用VXI总线模块，结合SCPI驱动仪器，得到本文设计的无线通信网络的失效网络节点通信信道均衡器的硬件电路如图6所示。

2.2 失效网络中节点可通信性能评估控制器设计

在上述均衡器模块设计的基础上，进行失效网络节点的通信性能评估的控制器设计，主控制器是整个系统的核心，为了达到高性能、低功耗网络通信控制的目的，采用以ARM920T为核心的32位RISC微处理器构建失效网络中节点可通信性能评估控制器电路。无线通信系统的供电电压为DC 3.3 V和1.25 V，为了减小杂波干扰，在LM1117芯片加上128 MB的FLASH芯片进行信号存储和波形抑制，对ARM处理器和无线通信网络模块进行Linux内核映像处理，使用前面提到的调度和网络节点定位策略，采用层次化的网格结构进行通信性能的评估，对连通性差的节点定位调制。在此基础上，采用2片SDRAM芯片UART0并联构建32 位的CrossBowRAM存储器，失效网络中节点可通信性能评估控制器的电路设计图如图7所示。

由图7可知，失效网络中节点可通信性能评估控制器的电路集成有LCD控制器，另接DM9000网络变压器，进行以太网通信的接口电路的串口通信，在Linux操作系统中进行时序信号分析和数据显示，实现对失效网络节点的可通信性能的评估和网络通信优化设计。

3 系统仿真实验与性能测试

为了测试本文设计的无线通信网络系统在网络失效时节点的可通信性能优化控制和评估中的应用，进行仿真实验。实验中，系统软件的开发平台采用开放源码的Linux操作系统，系统主程序的编写采用Linux内置TCP/IP协议设计并实现数据通信，失效网络节点从telosB节点到本机TCP端口的转发过程中以fpacket.cpp为数据包写入指定长度的数据，读写进程之间采用TCPComm类函数完成控制程序的加载，系统仿真的软件实现流程如图8所示。

根据上述仿真环境和参数设定，进行失效网络节点的通信性能测试和评估，通过 Internet/Intranet对通信数据进行实时监测和采样，得到失效网络节点通信数据的时域采样波形如图9所示。

根据上述对失效网络节点的通信数据采样，以此为训练集，进行通信性能评估，以节点通信的误码率和吞吐性能为测试指标，得到仿真结果如图10所示，从图10可知，采用该设计方法进行失效网络中节点可通信性能评估，能提高网络的抗干扰性能，节点通信的误码率降低到最小，提高网络数据传输的吞吐量，提高网络安全性，展示了较好的应用价值。

4 结 语

本文研究了失效网络中节点的可通信性能评估方法，提出一种基于VXI总线交互式动态配置的失效网络中节点可通信性能评估系统设计方法，构建无线网络的实体对象模型，进行通信系统的总体设计描述，进行无线网络信道均衡滤波器、通信信道均衡器、失效网络中节点可通信性能评估控制器等模块的设计，实现了失效网络中节点可通信性能评估。研究成果表明，采用该系统设计方法，能提高网络的抗干扰性能，降低通信误码率，提高网络数据传输的吞吐性，提高网络安全传输通信能力，确保网络数据通信的安全，展示了较好的应用前景。

图10 失效网络节点的可通信性能对比

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