无线传感器网络系统可靠性保证技术研究

摘要

无线传感器网络因其极低的功耗、无线自组织通信等优点，在环境监测、交通管理、国防安全等民用和军事领域有着广泛的应用前景。由于部署环境恶劣、节点能力受限等原因，可靠性成为目前无线传感器网络系统设计中所面临的重大挑战。针对此挑战，本文从网络和系统两个层面对无线传感器网络系统可靠性保证技术进行研究。
　　 在网络层面，首先，传输可靠性保证、应用层数据量变化等原因导致传感器节点传输工作量频繁发生改变，从而形成异构汇聚传输，因此要求MAC协议能够根据节点工作量调整其时间调度。针对此问题，开展支持跨层调度优化的无线传感器网络MAC协议研究，提出了面向异构汇聚传输的工作量感知MAC协议：W—MAC。设计了基于子树工作量收集的无冲突时间片调度方法和低开销快速调度调整机制，从而在异构汇聚传输中最小化节点功耗并达到极低的数据传输延时。其次，开展网络组织和数据传输可靠性保证技术研究。一方面，针对现有无线传感器网络在修复因节点变动、通信故障等原因导致的网络组织错误时功耗较高的缺点，提出了工作周期自适应的低功耗网络组织修复方法：E—NORS。通过动态调整控制包监听占空比，有效平衡了网络组织修复的功耗和速度。另一方面，针对现有FEC方法无法有效保证端到端数据传输可靠性的缺点，提出了逐跳自适应FEC数据传输可靠性保证方法：RAH。该方法将端到端数据传输可靠性需求分配到数据传输链路上的每一跳，并令每跳节点通过基于2级PID控制的FEC码率调整策略优化FEC码率，从而在保证端到端数据传输可靠性的前提下，最小化冗余数据传输开销。
　　 在系统层面，为预防故障并在故障发生时修复系统，在无线传感器网络生命周期的各个阶段，包括测试、部署和维护中，需要进行大量的人机交互操作。不同的操作要求传感器节点具备不同的行为表现来配合，其中某些行为表现要求甚至是相互冲突的。为解决此问题，通过对生命周期中人机交互操作的行为特性进行抽象，引入工作模式的概念。并采用此概念，设计了基于行为模式分组的无线传感器网络中间件：MEAN。在不同工作模式中管理节点上各种应用程序的执行与挂起，并控制节点行为，以满足人机交互和数据采集操作的需求。该中间件所提供的应用程序组织和切换基础策略、服务和模块，可有效提高节点软件的开发效率和可扩展性。
　　 最后，应用上述网络组织可靠性保证和中间件等技术，开发了敦煌莫高窟微气象环境监测系统。根据应用需求，设计了多层次的网络架构和各种软硬件设备。通过2年以上时间的长期运行，验证了系统设计和所提出技术的有效性。
　　 未来的研究方向包括：优化E—NORS中动态间歇工作周期调整机制；优化RAH中数据传输可靠性需求分配机制；联合路由层优化，在保证数据传输可靠性的同时，进一步延长网络寿命以及进一步在应用中验证已提出的技术。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第1章绪论

1.1论文背景

1.1.1无线传感器网络简介

1.1.2无线传感器网络可靠性问题

1.2国内外现状

1.3研究目标

1.4论文研究内容和创新点

1.4.1研究内容

1.4.2创新点

1.5论文结构

第2章相关工作

2.1支持可靠性保证的无线传感器网络系统

2.2无线传感器网络低功耗MAC协议

2.2.1概述

2.2.2汇聚传输MAC协议

2.2.3相近的工作

2.2.4小结

2.3无线传感器网络组织修复方法

2.3.1路由修复机制

2.3.2基于控制包监听的网络组织修复机制

2.3.3小结

2.4无线传感器网络可靠数据传输方法

2.4.1基于ARQ的可靠数据传输方法

2.4.2基于FEC的可靠数据传输方法

2.4.3小结

2.5无线传感器网络中间件技术

第3章支持跨层调度优化的无线传感器网络MAC协议

3.1异构汇聚传输

3.2节点活动时间调度算法

3.2.1控制时间调度

3.2.2数据时间调度

3.3工作机制

3.3.1调度建立

3.3.2调度调整

3.4性能测试

3.4.1数据时间调度性能

3.4.2控制时间调度性能

3.4.3调度调整机制性能

3.5本章小结

第4章无线传感器网络组织和传输可靠性保证技术

4.1工作周期自适应的低功耗网络组织修复方法

4.1.1网络组织修复

4.1.2算法设计

4.1.3性能测试

4.2逐跳自适应FEC数据传输可靠性保证方法

4.2.1自适应FEC

4.2.2假设和约定

4.2.3数据传输可靠性保证方法设计

4.2.4性能测试

4.3本章小结

第5章基于行为模式分组的无线传感器网络中间件

5.1系统可维护性功能分析

5.2 MEAN中间件设计

5.2.1中间件架构

5.2.2基本工作模式设计

5.2.3通用逻辑库

5.3实例研究

5.3.1系统测试和部署效率对比

5.3.2系统维护操作

5.4本章小结

第6章应用实例：敦煌莫高窟微气象环境监测系统

6.1应用目标

6.2部署环境简介

6.2.1概况

6.2.2洞窟内环境

6.2.3需求总结

6.3系统设计与实现

6.3.1通信架构

6.3.2硬件设计

6.4系统部署与测试

6.4.1微气象环境监测结果

6.4.2系统性能分析

6.5本章小结

第7章结论和展望

7.1研究总结

7.2研究展望

参考文献

攻读博士学位期间主要的研究成果