支持QoS的CPS网络路由算法的研究与实现

摘要

信息物理融合系统(Cyber-physical systems，CPS)是由感知、计算和控制等多个子系统组成的复杂网络系统，系统中包含感知数据、计算结果、控制指令等多种类型的数据。CPS通常应用于野外环境监测、基础设施控制、智慧交通等大型工程系统，其数据规模较物联网等系统更大。因此，数据传输的实时性和可靠性成为影响CPS系统性能的关键因素之一。同时，CPS的通信范围覆盖系统的物理层、网络层和决策层，各层的网络类型不一样，通信需求也不一样，因此，一个合理的网络结构和满足相应QoS需求的路由算法对CPS系统尤为重要。针对以上问题，本文提出了相关解决方案，主要工作及创新点如下：
　　(1)提出一个基于跨层QoS模型的数据调度机制。其主要目的是通过节点数据选择来满足CPS系统实时业务数据的传输需求。该算法的核心思想是提出一个跨层QoS模型，分别对节点、网络和业务数据的QoS需求进行分析，将各层的QoS需求进行量化，然后以满足这些QoS需求为目标设计一个数据选择控制策略。当源节点需要传输数据时，应用该策略来选择数据的发送序列，这样节点就可以通过对网络资源的合理利用来满足业务数据的QoS需求，同时提高网络传输的价值和网络资源分配的公平性。仿真实验表明，使用该数据调度机制的路由算法比不使用该数据调度机制的路由算法在网络效用和网络公平性上都有明显提升。
　　(2)提出一个适用于 CPS网络的 QoS路由算法，该算法主要目的是解决网络传输的实时性和可靠性问题。算法的核心思想是选取网络传输中的延迟和可靠性两个QoS指标，将其分别量化为一个阈值。以机会路由为基础，当源节点需要传输数据时，首先以满足延迟指标为目的，对其所有邻居节点区分优先级排序；接着以满足可靠性指标为目的，在邻居节点的优先级列表中根据策略选择部分节点作为候选节点集；集合中节点之间通过协同，确定相应中继节点来转发数据。仿真实验表明，该路由算法在延迟和投递率的性能较同类型的QORM路由算法更优。
　　(3)对 CPS系统的网络结构进行了合理的设计，构建了一个以容迟/容断网络（delay/disruption tolerant network，DTN）作为组网方式的异构网络结构。并在ONE仿真平台上设计实现了以该结构为基础的CPS的系统模型，将上述两个算法在该平台上进行了验证实现。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3国内外研究现状

1.4研究目标与研究内容

1.5论文章节安排

第二章 相关理论与技术

2.1 CPS体系结构

2.2容迟/容断网络概述

2.3 QoS路由概述

2.4机会路由技术

2.5 ONE仿真工具

2.6本章小结

第三章 基于跨层QoS模型的数据调度机制

3.1引言

3.2 QoS模型概述

3.3跨层QoS模型

3.4数据选择控制策略

3.5仿真结果及分析

3.6本章小结

第四章 基于传输延迟和可靠性的机会路由算法

4.1引言

4.2 DROR算法基本思想

4.3 DROR算法过程

4.4仿真结果及分析

4.5本章小结

第五章 CPS网络路由算法验证平台的设计与实现

5.1实验概述

5.2验证方案设计

5.3模块详细设计

5.4实验结果展示

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果