多業(yè)務(wù)多維度高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計(jì)與聯(lián)合優(yōu)化.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，WirelessSensorNetwork)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)控制、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等諸多領(lǐng)域。隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和多媒體應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，高速率無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(HRWSN，HighRateWirelessSensorNetwork)應(yīng)運(yùn)而生，該網(wǎng)絡(luò)能夠處理數(shù)據(jù)、圖形圖像、音頻、視頻等多種業(yè)務(wù)，同時(shí)提供相應(yīng)的服務(wù)質(zhì)量保障（QoS，QualityofService），實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的視頻監(jiān)控、多

2、元化信息采集和處理、復(fù)雜任務(wù)的調(diào)度與處理、高精度的跟蹤定位等應(yīng)用。與傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)具有感知信息豐富、傳輸速度快、處理能力強(qiáng)、能量約束更為嚴(yán)重等特點(diǎn)。
　　 高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)中帶寬波動(dòng)頻繁以及無(wú)線傳輸介質(zhì)的不穩(wěn)定性引起信號(hào)的衰落，帶寬和能量受到極大限制，傳統(tǒng)的分層暴露出巨大的弊端，跨層設(shè)計(jì)與聯(lián)合優(yōu)化應(yīng)運(yùn)而生。高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層機(jī)制將協(xié)議層的狀態(tài)參數(shù)和QoS參數(shù)在不同協(xié)議層中傳遞，實(shí)現(xiàn)協(xié)議在系統(tǒng)整體約束和整

3、體性能要求下聯(lián)合優(yōu)化，達(dá)到充分利用系統(tǒng)資源和提高傳感器網(wǎng)絡(luò)總體性能的目的，可有效提高能量效率和提供多業(yè)務(wù)QoS。高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界與真實(shí)物理世界融合在一起，是由傳感器網(wǎng)絡(luò)到物聯(lián)網(wǎng)(IoT，InternetofThings)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，物聯(lián)網(wǎng)目前已被正式列為國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。
　　 本文圍繞高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量受限和多業(yè)務(wù)QoS保障問(wèn)題，采用跨層設(shè)計(jì)與聯(lián)合優(yōu)化的方法研究高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)多業(yè)務(wù)

4、跨層調(diào)度與資源分配算法(AM-LWDF，AdaptiveModifiedLargestWaitDelayFirst)、異構(gòu)高速傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)多維度聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法(MDSA，Multi-DimensionalSchedulingAlgorithm)、高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)中跨層自適應(yīng)MAC協(xié)議(AMAC，AdaptiveMAC)、高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)的跨層混合MAC協(xié)議(RHMAC，Rate-adaptiveHybridMediu

5、mAccessControl)。論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)包括以下三個(gè)方面:
　　 1.針對(duì)高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)中多種業(yè)務(wù)對(duì)QoS的不同要求，考慮物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層參數(shù)，提出了一種適合多業(yè)務(wù)的跨層調(diào)度與資源分配算法AM-LWDF。該算法在滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)QoS約束的前提下，以最大化系統(tǒng)吞吐量為目標(biāo)建立了相應(yīng)的優(yōu)化模型，可以靈活地在系統(tǒng)能效、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的時(shí)延和非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)吞吐量之間取得折中，并保證不同類型業(yè)務(wù)間的公平性。
　　 2

6、.針對(duì)異構(gòu)高速傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度的特殊要求，提出了包括任務(wù)的截止時(shí)間、服務(wù)質(zhì)量、吞吐量、QoS公平和負(fù)載均衡的多維度調(diào)度算法MDSA，通過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)比較MDSA，DASAP和DALAP三種不同的調(diào)度策略，MDSA在調(diào)度成功率、QoS收益均值、調(diào)度跨度、負(fù)載均衡性方面均明顯優(yōu)于DASAP和DALAP，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)任務(wù)的多維度聯(lián)合優(yōu)化。
　　 3.針對(duì)SMAC協(xié)議中固定占空比不能適應(yīng)高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)多種

7、速率多業(yè)務(wù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，提出一種適用于高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用的速率自適應(yīng)的AMAC協(xié)議。AMAC協(xié)議采用占空比自適應(yīng)機(jī)制、競(jìng)爭(zhēng)窗口自適應(yīng)機(jī)制和交錯(cuò)喚醒機(jī)制，在多種速率任務(wù)突發(fā)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，能有效提高系統(tǒng)能效、吞吐量并降低時(shí)延;針對(duì)高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)中需為多種業(yè)務(wù)提供相應(yīng)的QoS保障，提出基于跨層的速率自適應(yīng)的混合MAC協(xié)議RHMAC，該協(xié)議可根據(jù)業(yè)務(wù)需要以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，在CSMA和TDMA自動(dòng)切換。在高速率傳感器網(wǎng)絡(luò)中，RHMAC協(xié)