高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及可用帶寬估計研究.pdf

1、高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)(High-PerformanceSensorNetworks，HPSN)作為信息物理融合系統(tǒng)(Cyber-PhysicalSystems，CPS)和物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings，IoT)的重要網(wǎng)絡(luò)支持層，它的研究涉及了體系結(jié)構(gòu)與評價標(biāo)準(zhǔn)、多元數(shù)據(jù)流的區(qū)分服務(wù)、實時可靠數(shù)據(jù)傳輸、服務(wù)質(zhì)量(QualityofService，QoS)保證等，可以解決傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)無法處理高質(zhì)量的視頻監(jiān)控、多元化信息采集和處理、復(fù)

2、雜任務(wù)的調(diào)度和對物理對象的控制等諸多問題，同時為業(yè)務(wù)提供QoS保證，可在軍事國防、工業(yè)制造業(yè)、智能電網(wǎng)、智能交通、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，獲得國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
　　 在通信和控制方面的應(yīng)用復(fù)雜性不斷擴(kuò)展，需要高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)為不同業(yè)務(wù)提供足夠的業(yè)務(wù)可用性保障，然而高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的共享、多跳、分布式、信道非對稱、資源受限和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化等問題都為其帶來巨大挑戰(zhàn)。人們要求能在高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸有QoS保證的

3、多元化業(yè)務(wù)，而獲取高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路徑的可用帶寬信息是一個重要前提。只有得到節(jié)點和路徑的可用帶寬信息才有可能使帶寬敏感的信道接入?yún)f(xié)議、QoS路由協(xié)議和實時可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議得到高效運行，達(dá)到最大化地利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的。
　　 針對如何獲取可用帶寬信息問題，本文重點研究高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與評價標(biāo)準(zhǔn)、多元業(yè)務(wù)的區(qū)分服務(wù)、節(jié)點可用帶寬估計、路徑可用帶寬估計等內(nèi)容，主要包括:
　　 (1)采用跨層優(yōu)化設(shè)計方法，設(shè)計了

4、一種高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。并對高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想、主要特點、各層功能模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，提出了系統(tǒng)性能評價指標(biāo)及評價方法。該結(jié)構(gòu)不僅具備高性能和能量高效等特征，還能為面向高性能的傳感器網(wǎng)絡(luò)各類協(xié)議的研究提供一個統(tǒng)一的問題描述和分析的理論框架。
　　 (2)針對傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)不能夠為具有不同QoS要求的通信流提供區(qū)分服務(wù)問題，提出了一種區(qū)分服務(wù)與速率控制策略。該策略將網(wǎng)絡(luò)中的通信流分為了六類，每一類通信流設(shè)置

5、為不同的優(yōu)先級，父節(jié)點采用基于優(yōu)先級的速率調(diào)整算法為每個子節(jié)點分配不同的最大發(fā)送速率，從而使高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)流獲得高吞吐量和低延遲，達(dá)到區(qū)分服務(wù)的目的，并能夠保證網(wǎng)絡(luò)吞吐量的穩(wěn)定。
　　 (3)針對節(jié)點競爭無線信道導(dǎo)致節(jié)點帶寬測量不準(zhǔn)確的問題，提出了基于網(wǎng)絡(luò)分配向量的節(jié)點可用帶寬估計策略。在該策略中，節(jié)點首先根據(jù)平均競爭窗口大小預(yù)測碰撞概率，進(jìn)而估計出數(shù)據(jù)幀重傳次數(shù);然后通過收集鄰居節(jié)點周期性發(fā)送的Hello分組，獲得鄰居節(jié)點的網(wǎng)

6、絡(luò)分配向量值;最后采用統(tǒng)計平均的方法估計出節(jié)點可用帶寬。仿真結(jié)果表明該策略能夠準(zhǔn)確地估計高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可用帶寬，并且不用發(fā)送主動探測分組，不影響網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常運行，具有較為廣泛的適用性。
　　 (4)針對源節(jié)點無法獲知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息而發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，導(dǎo)致高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞的問題，提出了一種新穎的路徑可用帶寬估計策略。該策略在MAC層中引入一個跨層模塊，估計出MAC層的帶寬和延遲信息，然后利用TCP協(xié)議的選項字段進(jìn)行逐跳

7、累積傳輸，最后反饋到源節(jié)點，用于調(diào)整源節(jié)點TCP協(xié)議的擁塞窗口和慢啟動閾值，進(jìn)而調(diào)整源節(jié)點數(shù)據(jù)包發(fā)送速率，達(dá)到緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的。該策略可以充分利用多變的網(wǎng)絡(luò)可用容量傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)包，保證網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，使得高性能傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用性能明顯提高。
　　 (5)針對RFID網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)分離建設(shè)，不能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的問題，設(shè)計了一種高性能智能節(jié)點，用于融合RFID網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到充分利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的。重點設(shè)計了高