【摘要】：信息物理融合系統(tǒng)是一種集成了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的綜合系統(tǒng),能夠監(jiān)測與采集工作區(qū)域內(nèi)的環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,并通過各類執(zhí)行器對它們進行干預。為了實現(xiàn)上述功能,系統(tǒng)內(nèi)部各設備之間的數(shù)據(jù)交換是必不可少的,而系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡支撐著設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。信息物理融合系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡是由傳感器網(wǎng)絡、執(zhí)行器網(wǎng)絡、計算機網(wǎng)絡等多種網(wǎng)絡構(gòu)成的組合通信網(wǎng)絡,這些網(wǎng)絡常常是異構(gòu)的,使得不同網(wǎng)絡中的設備不能直接進行數(shù)據(jù)交換。為了將系統(tǒng)中的各個設備以及異構(gòu)網(wǎng)絡連接起來,需要在系統(tǒng)中布置配備了多種無線通信技術(shù),并且能夠連接多種異構(gòu)網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)設備。網(wǎng)關(guān)設備的成本相對于價格低廉的傳感器設備等是十分昂貴的,而網(wǎng)關(guān)設備的通信覆蓋范圍以及數(shù)據(jù)傳輸能力都是十分有限的。布置更少的網(wǎng)關(guān)滿足系統(tǒng)的通信需求、更有效的利用網(wǎng)關(guān)有限的通信資源以及系統(tǒng)中的設備選擇最合適的網(wǎng)關(guān)進行連接是降低系統(tǒng)通信網(wǎng)絡成本、提高系統(tǒng)通信網(wǎng)絡性能的重要手段。本文將從異構(gòu)網(wǎng)絡中的網(wǎng)關(guān)布置、網(wǎng)關(guān)帶寬分配以及網(wǎng)關(guān)選擇等幾個方面展開研究。本文的主要研究工作如下:首先,本文研究了如何在滿足異構(gòu)網(wǎng)絡通信需求的同時,盡量減少布置的網(wǎng)關(guān)數(shù)量的問題。信息物理融合系統(tǒng)存在大量不同類型的設備,不同類型的設備的通信半徑與數(shù)據(jù)傳輸需求是不同的。在布置的網(wǎng)關(guān)的時候,必須要使系統(tǒng)中的每一個設備都能連接到至少一個網(wǎng)關(guān)設備,并且設備的通信需求能夠得到滿足。選擇恰當?shù)木W(wǎng)關(guān)布置位置,就可以利用最少數(shù)量的網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)上述性能要求。目前的研究多是關(guān)注于如何從已有設備中挑選出成為網(wǎng)關(guān)的設備,以提高系統(tǒng)性能,降低系統(tǒng)成本,這些工作并不適用于信息物理融合系統(tǒng)的異構(gòu)通信網(wǎng)絡。本文給出了滿足異構(gòu)網(wǎng)絡通信需求的最小化網(wǎng)關(guān)布置數(shù)量問題的定義,并分析該問題的計算難度,進而提出了兩種啟發(fā)式算法來解決該問題。其中一種是基于平面幾何關(guān)系的算法,該算法適用于網(wǎng)關(guān)可以布置在任意位置的情況。另一種是基于網(wǎng)格布置的算法,該算法用于應對網(wǎng)關(guān)布置位置受限的情況。其次,本文研究了如何分配布置在異構(gòu)通信網(wǎng)絡中的網(wǎng)關(guān)的傳輸帶寬,以最大化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包成功傳輸率的問題。為了有效的監(jiān)測物理世界并正確的對其進行干預,信息物理融合系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都是具有時效性的,超過時限的數(shù)據(jù)將失去價值,只有在規(guī)定時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的傳輸,數(shù)據(jù)包的傳輸才是成功的。異構(gòu)網(wǎng)絡設備之間數(shù)據(jù)傳輸需要通過網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn),而網(wǎng)關(guān)的傳輸帶寬是有限的,只有當網(wǎng)關(guān)帶寬得到充分利用的時候,才能最大程度的保障系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)包被成功傳輸,同時信息物理融合系統(tǒng)的工作環(huán)境復雜,需要應對的情況難以預測。本文提出了兩種靜態(tài)網(wǎng)關(guān)帶寬分配策略與一種動態(tài)網(wǎng)關(guān)帶寬分配策略來最大化系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包成功傳輸率。靜態(tài)網(wǎng)關(guān)帶寬分配策略基于兩種考慮,第一種盡可能的充分利用網(wǎng)關(guān)的傳輸帶寬,對每一個數(shù)據(jù)包都盡全力傳輸。第二種是將網(wǎng)關(guān)分配給每個數(shù)據(jù)包的傳輸帶寬盡可能的壓縮,為未來可能到達的數(shù)據(jù)包留出余地。動態(tài)網(wǎng)關(guān)帶寬分配根據(jù)網(wǎng)關(guān)的工作情況實時的對網(wǎng)關(guān)的帶寬分配進行調(diào)整,在充分利用網(wǎng)關(guān)帶寬的同時,也能應對未來可能的達到的傳輸任務。然后,本文研究了系統(tǒng)中的設備如何選擇合適的網(wǎng)關(guān),以保障設備獲得公平的網(wǎng)關(guān)帶寬的問題。網(wǎng)關(guān)的通信帶寬是信息物理融合系統(tǒng)中的重要資源,占有越多的通信帶寬,就越能提高設備的數(shù)據(jù)傳輸速度,降低數(shù)據(jù)傳輸超時的可能性。同時,為了提高系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的整體性能,網(wǎng)關(guān)的負載平衡也是必須要考慮的。本文提出了基于演化博弈理論的網(wǎng)關(guān)選擇算法。該算法能夠保障系統(tǒng)中設備獲得的網(wǎng)關(guān)帶寬盡量可能的相近。同時,利用演化博弈理論,本文研究了系統(tǒng)中的設備在發(fā)現(xiàn)其獲得的網(wǎng)關(guān)帶寬較少時,將如何改變其連接的網(wǎng)關(guān)。本文給出了網(wǎng)關(guān)帶寬的分配模型,并將設備更改其連接的網(wǎng)關(guān)的過程描述為一場系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡中所有設備的演化博弈。系統(tǒng)中設備是該博弈的參與者,而收益是設備獲得的網(wǎng)關(guān)帶寬。本文給出了該演化博弈的復制動態(tài)并分析了演化均衡的存在性與穩(wěn)定性。最后,本文研究了系統(tǒng)中的設備如何通過改變其連接的網(wǎng)關(guān)以最大化其所在網(wǎng)絡的設備獲得的總網(wǎng)關(guān)帶寬的問題。通過上面的分析可以看出,網(wǎng)關(guān)帶寬是信息物理融合系統(tǒng)中重要的通信資源。同時,雖然異構(gòu)網(wǎng)絡中的設備不能直接進行數(shù)據(jù)傳輸,但是處于同一網(wǎng)絡中的設備并沒有該限制。設備所在網(wǎng)絡獲得的網(wǎng)關(guān)帶寬越多,對設備來說也越有利。由于上述原因,不同的網(wǎng)絡之間將會爭奪系統(tǒng)中有限的網(wǎng)關(guān)帶寬資源。本文形式化的給出了最大化子網(wǎng)收益的網(wǎng)關(guān)選擇問題的定義,并將其刻畫為非線性整數(shù)規(guī)劃問題。根據(jù)上述設備選擇網(wǎng)關(guān)的特點,本文給出了該問題的非合作博弈模型,即不同子網(wǎng)中的設備通過改變其連接的網(wǎng)關(guān)來最大化自己的收益。本文提出了基于博弈理論的分布式網(wǎng)關(guān)選擇算法,分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)以及博弈的納什均衡的存在性與可達性。通過實驗驗證了上述分布式網(wǎng)關(guān)算法具有很好的性能。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN915.0

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本文編號：2531688