【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)糅合了無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù),通常由低功耗無線通信模塊、小型嵌入式設(shè)備以及各種類型的傳感器組成,是一種具有數(shù)據(jù)采集、信息處理和系統(tǒng)控制等功能的自組織多跳無線通信網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)通過協(xié)作的方式完成對某一區(qū)域的信息感測任務(wù),可以部署到環(huán)境惡劣的區(qū)域,目前在軍事信息收集、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域多有應(yīng)用。但是也存在一些技術(shù)限制,例如:節(jié)點(diǎn)能量和硬件資源有限、網(wǎng)絡(luò)使用無線通信方式存在不穩(wěn)定因素以及網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境惡劣難以維護(hù)等。隨著對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的深入,一些專家學(xué)者認(rèn)識(shí)到基于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)進(jìn)入了瓶頸階段,亟需尋求新的突破方向。軟件定義網(wǎng)絡(luò)是一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),該架構(gòu)采用數(shù)據(jù)平面與控制平面分離的方式,簡化了網(wǎng)絡(luò)管理操作,提高了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性,具有十分廣闊的應(yīng)用前景。因此已有研究者將軟件定義的思想引入到無線傳感器領(lǐng)域,形成了軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文依據(jù)目前較完善的一種軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限且能耗不均衡以及需要為多應(yīng)用服務(wù)提供差異化的QoS保障的問題,研究了軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂萍癚oS路由技術(shù)。(1)針對軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常節(jié)點(diǎn)能量受限,節(jié)點(diǎn)間能耗不均衡會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間縮短的問題。為了準(zhǔn)確刻畫節(jié)點(diǎn)間由于節(jié)省能量而出現(xiàn)的自私行為,同時(shí)綜合考慮節(jié)點(diǎn)的能量效率和能耗均衡,通過引入博弈理論并加入阿特金森指數(shù)設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)優(yōu)化的綜合效用函數(shù),基于此建立了一種能耗均衡的拓?fù)洳┺哪Ｐ?并證明了該拓?fù)洳┺哪Ｐ褪切驍?shù)勢博弈且存在帕累托最優(yōu),進(jìn)而提出了一種能耗均衡的拓?fù)洳┺乃惴āＫ惴ǹ梢杂行Ь饩W(wǎng)絡(luò)能耗,提升網(wǎng)絡(luò)能量效率,延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。(2)針對軟件定義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能同時(shí)承載多種應(yīng)用服務(wù)并需要提供差異化的QoS保障的問題。算法確定了以提高不同類型數(shù)據(jù)分組的服務(wù)質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn),同時(shí)綜合考慮了節(jié)點(diǎn)剩余能量、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延及穩(wěn)定性等因素對QoS的影響,并通過引入演化博弈理論設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)優(yōu)化的綜合效用函數(shù),從而提出了一種基于演化博弈的區(qū)分服務(wù)QoS路由算法。該算法可以有效為多類型的數(shù)據(jù)分組提供區(qū)分服務(wù),確保符合應(yīng)用要求,提升網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率。
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.9;TN929.5
【圖文】：

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般由三種節(jié)點(diǎn)組成：普通節(jié)點(diǎn)、Sink 節(jié)點(diǎn)和管理終端。如圖2.1 所示。匯聚節(jié)點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域管理終端用戶互聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)圖 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖傳感器節(jié)點(diǎn)：出于對部署環(huán)境和部署成本的考慮，傳感器節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電的方式且節(jié)點(diǎn)的硬件資源有限。它們作為網(wǎng)絡(luò)中的普通節(jié)點(diǎn)，具有數(shù)據(jù)感測、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，通過節(jié)點(diǎn)間協(xié)作完成對監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測任務(wù)。匯聚節(jié)點(diǎn)：普通節(jié)點(diǎn)收集到的感測數(shù)據(jù)需要發(fā)送到 Internet 外部網(wǎng)絡(luò)，具有更豐富硬件資源和更強(qiáng)通信能力的匯聚節(jié)點(diǎn)可以作為“簡單的網(wǎng)關(guān)”承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)也可以提供感測數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、融合和管理等功能。管理終端：它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最外圍的設(shè)備，可以對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和維護(hù)。用戶可以藉由管理終端實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域狀態(tài)信息的查詢、管理以及監(jiān)測任務(wù)的更改等操作。

（c）網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)度 （d）網(wǎng)絡(luò)最短路徑的平均跳數(shù)圖 3.3 參數(shù) λ對網(wǎng)絡(luò)性能的影響示意圖圖 3.3（a）顯示，節(jié)點(diǎn)的平均發(fā)射功率會(huì)伴隨 λ值的增加而降低，當(dāng) λ的值大于 2時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的變化情況基本趨于相似；圖 3.3（b）顯示，鄰節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量隨著 λ值的增大而降低，當(dāng) λ值大于 2 時(shí)，鄰節(jié)點(diǎn)平均剩余能量變化情況基本趨于相似；圖 3.3（c）顯示，網(wǎng)絡(luò)平均節(jié)點(diǎn)度在的 λ值大于 2 時(shí)，變化情況趨于相似；圖 3.3（d）顯示，網(wǎng)絡(luò)最短路徑的平均跳數(shù)在的 λ值大于 2 時(shí)之后的變化情況趨于相似。綜上所述，依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕局R(shí)[55]，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率較低且具有適中的節(jié)點(diǎn)度及鏈路跳數(shù)時(shí)，可以認(rèn)為該類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較優(yōu)，以節(jié)點(diǎn)運(yùn)算能力和網(wǎng)絡(luò)綜合性能的考慮為出發(fā)點(diǎn)，本文將參數(shù) λ的值設(shè)為 2，參數(shù) μ的值設(shè)為 1。

（c）DEBA （d）DTCG圖 3.4 四種算法網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D為了清晰直觀的對比 DIA 算法、MLPT 算法、DEBA 算法和 DTCG 算法所形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，本文將 50 個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)散布在 150m×150m 的區(qū)域內(nèi)，生成對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌鐖D 3.4 所示。從該圖能夠得出如下結(jié)論：DIA 算法所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)的負(fù)載較大、剩余能量較少（節(jié)點(diǎn)旁標(biāo)出）并且網(wǎng)絡(luò)魯棒性不好；MLPT 和 DEBA算法節(jié)點(diǎn)度較高，冗余節(jié)點(diǎn)較多，會(huì)導(dǎo)致能量消耗較快；相較另外三種算法，DTCG 算法在不影響網(wǎng)絡(luò)連通性及魯棒性的前提下，擁有較低的節(jié)點(diǎn)度及較少的冗余節(jié)點(diǎn)。由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一般性理論可知，DTCG 算法擁有適中的節(jié)點(diǎn)度及冗余節(jié)點(diǎn)數(shù)量，在避免通信干擾和擁塞的同時(shí)可以獲得較優(yōu)的魯棒性，能夠提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。本文設(shè)置了 8 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目不同，分別從 30 個(gè)遞增至 100 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其它詳細(xì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置情況如表 3.2 所示。實(shí)驗(yàn)需要獲取四種算法的節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)間最短鏈路的跳數(shù)以及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度四種參數(shù)的平均值來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)性能對比。由圖 3.5 可以觀察四種算法的節(jié)點(diǎn)平均發(fā)射功率的對比情況。圖中顯示在一定監(jiān)測

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2776788