多业务多维度高速率传感器网络跨层设计与联合优化

摘要

无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetwork)是当前的研究热点，广泛地应用于军事、工业控制、生物医疗、环境监测等诸多领域。随着传感器网络的发展和多媒体应用需求的增长，高速率无线传感器网络(HRWSN，HighRateWirelessSensorNetwork)应运而生，该网络能够处理数据、图形图像、音频、视频等多种业务，同时提供相应的服务质量保障（QoS，QualityofService），实现高质量的视频监控、多元化信息采集和处理、复杂任务的调度与处理、高精度的跟踪定位等应用。与传统的传感器网络相比，高速率传感器网络具有感知信息丰富、传输速度快、处理能力强、能量约束更为严重等特点。
　　 高速率传感器网络中带宽波动频繁以及无线传输介质的不稳定性引起信号的衰落，带宽和能量受到极大限制，传统的分层暴露出巨大的弊端，跨层设计与联合优化应运而生。高速率传感器网络跨层机制将协议层的状态参数和QoS参数在不同协议层中传递，实现协议在系统整体约束和整体性能要求下联合优化，达到充分利用系统资源和提高传感器网络总体性能的目的，可有效提高能量效率和提供多业务QoS。高速率传感器网络将逻辑上的信息世界与真实物理世界融合在一起，是由传感器网络到物联网(IoT，InternetofThings)的关键环节，物联网目前已被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。
　　 本文围绕高速率传感器网络中的能量受限和多业务QoS保障问题，采用跨层设计与联合优化的方法研究高速率传感器网络系统多业务跨层调度与资源分配算法(AM-LWDF，AdaptiveModifiedLargestWaitDelayFirst)、异构高速传感器网络系统中实时任务多维度联合优化调度算法(MDSA，Multi-DimensionalSchedulingAlgorithm)、高速率传感器网络中跨层自适应MAC协议(AMAC，AdaptiveMAC)、高速率传感器网络多业务的跨层混合MAC协议(RHMAC，Rate-adaptiveHybridMediumAccessControl)。论文的主要内容及创新点包括以下三个方面:
　　 1.针对高速率传感器网络中多种业务对QoS的不同要求，考虑物理层、数据链路层和应用层参数，提出了一种适合多业务的跨层调度与资源分配算法AM-LWDF。该算法在满足实时业务QoS约束的前提下，以最大化系统吞吐量为目标建立了相应的优化模型，可以灵活地在系统能效、实时业务的时延和非实时业务吞吐量之间取得折中，并保证不同类型业务间的公平性。
　　 2.针对异构高速传感器网络系统中实时任务调度的特殊要求，提出了包括任务的截止时间、服务质量、吞吐量、QoS公平和负载均衡的多维度调度算法MDSA，通过大量的仿真实验比较MDSA，DASAP和DALAP三种不同的调度策略，MDSA在调度成功率、QoS收益均值、调度跨度、负载均衡性方面均明显优于DASAP和DALAP，实现异构高速率传感器网络实时任务的多维度联合优化。
　　 3.针对SMAC协议中固定占空比不能适应高速率传感器网络多种速率多业务传输的特点，提出一种适用于高速率传感器网络数据采集型应用的速率自适应的AMAC协议。AMAC协议采用占空比自适应机制、竞争窗口自适应机制和交错唤醒机制，在多种速率任务突发的传感器网络中，能有效提高系统能效、吞吐量并降低时延;针对高速率传感器网络中需为多种业务提供相应的QoS保障，提出基于跨层的速率自适应的混合MAC协议RHMAC，该协议可根据业务需要以及网络负载，在CSMA和TDMA自动切换。在高速率传感器网络中，RHMAC协议比BMAC协议能达到更高的吞吐量和较高的能效。
　　 最后，针对应急医院中传输多种混合实时业务的应用需求，设计了一系列高速率传感器网络智能节点，采用跨层设计与联合优化的技术保证多种业务QoS需求，实现应急医院人员、物资、设备快速准确的定位、追踪与管理。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外现状

1．2．1 跨层设计与联合优化国内外现状

1．2．2 跨层调度算法国内外研究现状

1．2．3 跨层MAC协议国内外研究现状

1．3 课题来源及主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 主要研究内容

1．3．3 论文结构

1．4 论文采用的研究方法

第二章 高速率传感器网络多业务系统模型

2．1 引言

2．2 高速率传感器网络系统模型

2．2．1 高速率传感器网络系统系统架构

2．2．2 高速率传感器网络关键问题

2．3 高速率传感器网络多业务模型及QoS需求

2．3．1 多业务类型分类

2．3．2 多业务QoS需求

2．4 高速率传感器网络跨层设计与多维度优化模型

2．5 本章小结

第三章 高速率传感器网络多业务跨层调度与资源分配算法

3．1 引言

3．2 跨层调度模型

3．3 多元参数跨层调度与动态资源分配

3．3．1 MAC层自适应调度算法

3．3．2 物理层自适应子载波分配算法

3．4 仿真实验与性能分析

3．5 本章小结

第四章 异构高速传感网络中多维度联合优化调度算法

4．1 异构高速传感器网络系统简介

4．2 调度模型和任务模型

4．2．1 异构调度模型

4．2．2 任务模型

4．3 负载均衡的多维度调度联合优化

4．3．1 QoS级别最大化

4．3．2 QoS级别均差最大最优排序

4．3．3 节点完成时间均差最小化

4．3．4 QoS收益最大化

4．4 仿真实验与性能分析

4．4．1 模拟方法和参数设置

4．4．2 节点数对性能的影响

4．5 本章小结

第五章 高速率传感器网络中跨层自适应MAC协议

5．1 引言

5．2 传统SMAC协议的分析及跨层MAC协议的提出

5．3 高速率传感器网络跨层QoS优化设计模型

5．4 跨层自适应MAC协议设计

5．4．1 碰撞窗口自适应机制

5．4．2 占空比自适应机制

5．4．3 节点交错唤醒机制

5．5 仿真结果与性能分析

5．6 本章小结

第六章 高速率传感器网络多业务的跨层混合MAC协议

6．1 引言

6．2 高速率传感器网络MAC层关键问题

6．2．1 无线传感器网络的传统MAC协议分类

6．2．2 高速率传感器网络MAC协议特点及挑战

6．3 高速率传感器网络的能效需求

6．4 联合数据链路层、传输层、应用层跨层模型设计

6．5 速率自适应的混合MAC协议

6．5．1 邻居及两跳邻居发现

6．5．2 时隙分配

6．5．3 传输控制

6．5．4 本地时间同步

6．6 仿真结果与性能分析

6．7 本章小结

第七章 研究成果应用

7．1 应用背景

7．1．1 项目概况

7．1．2 异构高速传感器网络实验床简介

7．2 主要研究内容

7．2．1 高速率传感器网络智能节点研究与开发

7．2．2 重要物资跟踪定位与人员管理

7．3 应用效果

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表或完成的论文及专利

声明

致谢