無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性保證技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其極低的功耗、無線自組織通信等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測、交通管理、國防安全等民用和軍事領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于部署環(huán)境惡劣、節(jié)點(diǎn)能力受限等原因，可靠性成為目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所面臨的重大挑戰(zhàn)。針對此挑戰(zhàn)，本文從網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)兩個(gè)層面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性保證技術(shù)進(jìn)行研究。
　　 在網(wǎng)絡(luò)層面，首先，傳輸可靠性保證、應(yīng)用層數(shù)據(jù)量變化等原因?qū)е聜鞲衅鞴?jié)點(diǎn)傳輸工作量頻繁發(fā)生改變，從而形成異構(gòu)匯聚傳輸，因此要求MAC協(xié)

2、議能夠根據(jù)節(jié)點(diǎn)工作量調(diào)整其時(shí)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(luò)MAC協(xié)議研究，提出了面向異構(gòu)匯聚傳輸?shù)墓ぷ髁扛兄狹AC協(xié)議：W—MAC。設(shè)計(jì)了基于子樹工作量收集的無沖突時(shí)間片調(diào)度方法和低開銷快速調(diào)度調(diào)整機(jī)制，從而在異構(gòu)匯聚傳輸中最小化節(jié)點(diǎn)功耗并達(dá)到極低的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。其次，開展網(wǎng)絡(luò)組織和數(shù)據(jù)傳輸可靠性保證技術(shù)研究。一方面，針對現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在修復(fù)因節(jié)點(diǎn)變動(dòng)、通信故障等原因?qū)е碌木W(wǎng)絡(luò)組織錯(cuò)誤時(shí)功耗較高的缺點(diǎn)，提出

3、了工作周期自適應(yīng)的低功耗網(wǎng)絡(luò)組織修復(fù)方法：E—NORS。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整控制包監(jiān)聽占空比，有效平衡了網(wǎng)絡(luò)組織修復(fù)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(diǎn)，提出了逐跳自適應(yīng)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(diǎn)通過基于2級(jí)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(yù)防故障并在故障發(fā)生時(shí)修復(fù)系統(tǒng)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的各個(gè)階段，包括測試、部署和維護(hù)中，需要進(jìn)行大量的人機(jī)交互操作。不同的操作要求傳感器節(jié)點(diǎn)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(jī)交互操作的行為特性進(jìn)行抽象，引入工作模式的概念。并采用此概念，設(shè)計(jì)了基于行為模式分組的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件：MEAN。在不同工作模式中管理節(jié)點(diǎn)上各種應(yīng)用程序的執(zhí)行與掛起

5、，并控制節(jié)點(diǎn)行為，以滿足人機(jī)交互和數(shù)據(jù)采集操作的需求。該中間件所提供的應(yīng)用程序組織和切換基礎(chǔ)策略、服務(wù)和模塊，可有效提高節(jié)點(diǎn)軟件的開發(fā)效率和可擴(kuò)展性。
　　 最后，應(yīng)用上述網(wǎng)絡(luò)組織可靠性保證和中間件等技術(shù)，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(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了多層次的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和各種軟硬件設(shè)備。通過2年以上時(shí)間的長期運(yùn)行，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和所提出技術(shù)的有效性。
　　 未來的研究方向包括：優(yōu)化E—NORS中動(dòng)態(tài)間歇工作周期調(diào)