無線傳感器網(wǎng)絡QoS保障技術的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是集信息采集、信息傳輸和信息處理為一體的綜合智能信息系統(tǒng)，在諸多領域都有非常廣闊的應用前景和研究空間。無線傳感器網(wǎng)絡具有面向應用的特點，因此必須考慮服務質(zhì)量(Quality of Service,QoS)保障的問題。例如在入侵檢測應用中，對移動對象的定位、識別和跟蹤需要在傳感器節(jié)點和控制節(jié)點之間進行實時、可靠的數(shù)據(jù)交換，以便監(jiān)控者及時采取措施。因此如何滿足應用的

2、QoS需求，同時有效利用全網(wǎng)資源是一個相對新且不容忽視的問題。WSNs的大規(guī)模性、自組織性、多跳路由和嚴重資源受限等特點增加了QoS支持的復雜度，而且WSNs的應用還提出一些不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的新QoS需求。因此，傳統(tǒng)網(wǎng)絡的QoS保障技術并不適合WSNs。本文分析了WSNs中的QoS問題及其面臨的挑戰(zhàn)，歸納總結了現(xiàn)有研究成果的主要思想和優(yōu)缺點，重點研究了應用層、數(shù)據(jù)管理層、連通覆蓋層和路由層的QoS保障技術，主要研究成果如下：
　　首

3、先，本文針對同構傳感器網(wǎng)絡提出有QoS保障的能源高效的任務分配算法。WSNs中傳感器節(jié)點的電池能量、計算能力、存儲容量和通信范圍都非常有限，節(jié)點通常無法單獨完成計算密集型任務，但可以通過多節(jié)點協(xié)作共同完成任務。任務分配對實時應用的性能有很大影響，除了要考慮節(jié)能，還要考慮應用的實時性要求。WSNs自身的特點使得傳統(tǒng)分布式系統(tǒng)中的任務分配算法無法直接移用，本文提出一個新穎的基于遺傳算法的嵌套優(yōu)化技術，保證應用在指定的時限之前完成，同時最小化

4、網(wǎng)絡的能耗。嵌套框架中包含基于遺傳算法的任務映射，基于遺傳算法的路由路徑分配，任務調(diào)度和動態(tài)電壓調(diào)制。將這幾個優(yōu)化階段有機地結合在一起，高效的搜索任務分配的解空間，獲得滿足各種約束條件的優(yōu)化任務分配方案。
　　第二，本文針對異構傳感器網(wǎng)絡提出有QoS保障的能源高效的任務分配算法。采用分治技術將原始任務分配問題分解為4個子問題：任務劃分、時限分配、任務調(diào)度和運行時的再調(diào)度。核心思想是將原始任務劃分為簡單任務和分支任務，同時處理，提高

5、并行效率。用馬爾科夫決策過程確定分支任務的優(yōu)化調(diào)度，目標是最小化執(zhí)行任務的能量消耗，并滿足分支任務的時限要求。分治策略的優(yōu)點是當節(jié)點失效時，不需要對整個任務圖進行重新調(diào)度，調(diào)整受影響的局部任務圖即可滿足應用的QoS要求。實驗結果表明：本文提出的基于分治策略的任務分配算法簡化了原始問題的復雜性，縮小了原始問題的解空間，能夠獲得滿足QoS要求的能源高效的任務分配方案。
　　第三，本文提出有QoS保障的能源高效的節(jié)點睡眠調(diào)度機制。能量是

6、WSNs中最受限制的資源。在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)高密度地部署節(jié)點，調(diào)度節(jié)點輪流工作，可以有效的節(jié)省網(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡生命期。感知覆蓋度是傳感器網(wǎng)絡一個特定的QoS需求。本文提出一個數(shù)據(jù)驅(qū)動的節(jié)點睡眠調(diào)度機制，根據(jù)節(jié)點感知數(shù)據(jù)的時空相關性計算節(jié)點間的預測關系并求解節(jié)點支配集。調(diào)度支配集節(jié)點輪流工作，節(jié)省網(wǎng)絡能耗的同時也保證了網(wǎng)絡的QoS需求。針對小規(guī)模網(wǎng)絡提出了集中式睡眠調(diào)度算法，針對大規(guī)模網(wǎng)絡提出了半分布式和分布式睡眠調(diào)度算法。理論分析與實驗結果

7、表明，數(shù)據(jù)驅(qū)動的睡眠調(diào)度機制能夠保證網(wǎng)絡感知全覆蓋，節(jié)省網(wǎng)絡能耗，有效延長網(wǎng)絡生命期。
　　第四，本文研究了查詢處理中的QoS保障技術，為對象跟蹤應用中的連續(xù)k近鄰(Continuous K Nearest Neighbor,CKNN)查詢提出一個能源高效的閾值搜索算法。對象跟蹤是傳感器網(wǎng)絡的主要應用之一， CKNN是該類應用中常見的查詢類型。為了快速響應用戶查詢并減少網(wǎng)絡能耗，本文提出一個兩階段搜索算法。初始搜索階段獲得靜態(tài)空間

8、的k近鄰，增量維護階段獲得監(jiān)控期間k近鄰的更新。用網(wǎng)格存儲方式對查詢和移動對象進行索引，避免了集中式存儲的網(wǎng)絡開銷。提出環(huán)形搜索算法和基于閾值的增量維護算法。理論分析和實驗結果表明，本文提出的本地存儲和基于閾值的增量維護方法比集中式方法的能耗少，而且可以及時更新查詢結果，快速響應用戶查詢。
　　最后，本文為無線傳感器網(wǎng)絡中的實時通信提出一個有QoS保證的能源高效的路由協(xié)議，簡稱REER(Real-time and Energy E

9、fficient Routing)協(xié)議。REER協(xié)議把應用通信的實時性要求轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)包的速度要求，根據(jù)數(shù)據(jù)包速度和網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率和路由決策。當通信的實時性要求比較高時，REER協(xié)議增加節(jié)點的發(fā)送功率，用增加能耗和減少系統(tǒng)吞吐量換取速度；當通信的實時性要求較低時，REER協(xié)議通過降低節(jié)點的發(fā)送功率節(jié)省能耗，增加系統(tǒng)吞吐量。REER協(xié)議結構中包括動態(tài)速度分配器、延遲估計器、轉(zhuǎn)發(fā)策略器、隊列管理器和鄰居管理器。實驗結果表明，R