物联网中的随机接入算法设计与研究文献综述

 2023-08-15 14:50:43

文献综述(或调研报告):

近些年以来,随着物联网的快速发展,M2M通信作为物联网中最主要的连接方式,越来越受到研究的重视。M2M通信即机器对机器通信,即机器之间的连接互通。物联网的海量终端和海量业务对M2M通信提出了非常高的要求,移动通信网络作为M2M业务主要之一的承载方式,面临着巨大的压力和挑战。传统的H2H通信的随机接入方式,难以匹配M2M数量庞大的业务和终端。M2M业务具有终端数量庞大、单次传输数据量小、网络节点数量巨大、时间容忍度相对高的特点,因此,适应于传统H2H业务的随机接入技术面临巨大的挑战。因此,如何改进目前现有移动通信网络,以更好的适应M2M业务,是当下研究的重点。

值得注意的是,大多数现有的物联网随机接入(RA)是为所有设备(属于或由公共运营商认证的场景)而设计的,使得所有设备都可以相互信任。为了获得更高的整体效率,每个节点都应该严格遵循RA协议,而牺牲一些单独的性能。例如,Aloha协议中的随机退避可以降低网络的冲突概率,但会增加单个节点的访问延迟。然而,在实践中,物联网通常包含大量属于多方的设备,这意味着物联网网络和设备本质上是不可信的。因此,现有的基于主运营商和可信设备的物联网结构过于限制。此外,大多数物联网资源仍被其所有者(即网络运营商)孤立地使用。通过将运营商分离的子网集成到更大的多运营商网络中,可以实现更高的资源利用效率。

  1. 多运营商无信任网络的物联网接入协议。

这种由多运营商无信任网络集成而产生的物联网网络结构带来了许多新的挑战。从网络的角度来看,对于运营商之间的资源共享,很难量化每个节点(或网络运营商)的贡献和提供适当的经济支出和激励。正是由于这个原因,一些著名的资源共享概念,如认知无线电(CR)和移动自组织网络(MANET),自其诞生以来就未能取得广泛的商业成功。此外,由于缺乏信任,身份验证、授权和记帐(AAA)控制变得非常复杂,几乎难以处理。一旦接入点(接入点)因系统崩溃或电源故障而重新启动,大量物联网设备的设备注册将需要很长时间。从单个设备的角度来看,不诚实或流氓设备可能不会严格遵循给定的网络协议,而是可能试图获取超过其公平份额的资源,以实现自身利益。出于某些原因,流氓设备甚至可以忽略来自接入点的控制包。

  1. 区块链技术。

最近,区块链被视为颠覆金融领域的技术,可能会潜在的改变网络。特别地,它能解决物联网之间不信任的问题。在医疗、能源、交通等多种应用中,区块链已经影响了传统的以云为中心的物联网。目前,出现的一些研究强调应用BLASH链,例如FalAccess、HypNET等来解决新的物联网架构,以解决隐私和安全问题。在众多研究中,物理访问是基于区块链的物联网的关键问题,有以下方法和思路:①物联网接入采用区块链作为控制策略的分布式存储。②采用多个智能合约实现分布式物联网接入控制③无线连接和区块链对物联网应用同步的影响④提出了区块链无线接入网(B-RAN)的概念⑤B-RAN原型。

  1. 哈希接入协议。

该协议由底层B-RAN体系结构实现,可以迫使物联网设备遵循随机接入协议,这样可以避免物联网设备的自私行为(自私设备可以通过采用自私的策略减少其访问延迟并获得更高的性能,会导致资源的浪费)。

如图1所示,在传输数据包之前,物联网设备应根据当前时间戳、其唯一标识符(ID)和接入点分发的智能合约计算哈希值。低于给定目标哈希的哈希值启用有效访问,即hash(ID 时间戳 协定)lt;目标。否则,将拒绝该设备在当前插槽中的访问。

该协议的优势:①由于哈希函数是单向映射,接入点可以快速检查每次访问尝试的有效性,而物联网设备很难伪造哈希值。②系统可以根据流量情况自适应地产生目标哈希值,以达到理想的吞吐量和延迟。③哈希接入协议使得属于不同方的物联网设备能够公平地共享上行链路资源的无信任和选择性网络中的新的无授权访问成为可能。④哈希接入适合于能量和计算能力有限的物联网设备,特别是在将来专用哈希模块可以嵌入物联网设备时。

图1:启用B-RAN的哈希接入的框图。(a)具有访问协定和哈希标记的数据包.(b)网络结构

  1. B-RAN网络

①工作过程:一个接入点将同时从物联网设备接收数据包和签署的智能合约。然后,如果接入点发现哈希值低于目标值,它将直接将智能合约上载到矿工网络,在检查合同的有效性之后,矿工们将合同提交给区块链。由于接入点已经提供了物联网设备的接入服务,接入点将密切关注区块链,确保主链接受智能合约。经过多次确认后,合同中规定的服务费将自动从物联网设备转移到接入点。

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