無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性保證技術研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡因其極低的功耗、無線自組織通信等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、交通管理、國防安全等民用和軍事領域有著廣泛的應用前景。由于部署環(huán)境惡劣、節(jié)點能力受限等原因，可靠性成為目前無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)設計中所面臨的重大挑戰(zhàn)。針對此挑戰(zhàn)，本文從網(wǎng)絡和系統(tǒng)兩個層面對無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性保證技術進行研究。
　　 在網(wǎng)絡層面，首先，傳輸可靠性保證、應用層數(shù)據(jù)量變化等原因導致傳感器節(jié)點傳輸工作量頻繁發(fā)生改變，從而形成異構匯聚傳輸，因此要求MAC協(xié)

2、議能夠根據(jù)節(jié)點工作量調(diào)整其時間調(diào)度。針對此問題，開展支持跨層調(diào)度優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡MAC協(xié)議研究，提出了面向異構匯聚傳輸?shù)墓ぷ髁扛兄狹AC協(xié)議：W—MAC。設計了基于子樹工作量收集的無沖突時間片調(diào)度方法和低開銷快速調(diào)度調(diào)整機制，從而在異構匯聚傳輸中最小化節(jié)點功耗并達到極低的數(shù)據(jù)傳輸延時。其次，開展網(wǎng)絡組織和數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證技術研究。一方面，針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡在修復因節(jié)點變動、通信故障等原因導致的網(wǎng)絡組織錯誤時功耗較高的缺點，提出

3、了工作周期自適應的低功耗網(wǎng)絡組織修復方法：E—NORS。通過動態(tài)調(diào)整控制包監(jiān)聽占空比，有效平衡了網(wǎng)絡組織修復的功耗和速度。另一方面，針對現(xiàn)有FEC方法無法有效保證端到端數(shù)據(jù)傳輸可靠性的缺點，提出了逐跳自適應FEC數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證方法：RAH。該方法將端到端數(shù)據(jù)傳輸可靠性需求分配到數(shù)據(jù)傳輸鏈路上的每一跳，并令每跳節(jié)點通過基于2級PID控制的FEC碼率調(diào)整策略優(yōu)化FEC碼率，從而在保證端到端數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下，最小化冗余數(shù)據(jù)傳輸開銷。

4、
　　 在系統(tǒng)層面，為預防故障并在故障發(fā)生時修復系統(tǒng)，在無線傳感器網(wǎng)絡生命周期的各個階段，包括測試、部署和維護中，需要進行大量的人機交互操作。不同的操作要求傳感器節(jié)點具備不同的行為表現(xiàn)來配合，其中某些行為表現(xiàn)要求甚至是相互沖突的。為解決此問題，通過對生命周期中人機交互操作的行為特性進行抽象，引入工作模式的概念。并采用此概念，設計了基于行為模式分組的無線傳感器網(wǎng)絡中間件：MEAN。在不同工作模式中管理節(jié)點上各種應用程序的執(zhí)行與掛起

5、，并控制節(jié)點行為，以滿足人機交互和數(shù)據(jù)采集操作的需求。該中間件所提供的應用程序組織和切換基礎策略、服務和模塊，可有效提高節(jié)點軟件的開發(fā)效率和可擴展性。
　　 最后，應用上述網(wǎng)絡組織可靠性保證和中間件等技術，開發(fā)了敦煌莫高窟微氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)應用需求，設計了多層次的網(wǎng)絡架構和各種軟硬件設備。通過2年以上時間的長期運行，驗證了系統(tǒng)設計和所提出技術的有效性。
　　 未來的研究方向包括：優(yōu)化E—NORS中動態(tài)間歇工作周期調(diào)