內容簡介
《無綫傳感網絡調度優化技術》選取無綫傳感器網絡研究熱點問題,對無綫傳感網絡調度優化技術進行深入探討,重點介紹基於Quorum係統的介質訪問控製協議、優化調度算法和聚閤調度策略。《無綫傳感網絡調度優化技術》共8章。第1章概述無綫傳感器網絡的研究背景及其意義;第2章論述介質訪問控製協議以及調度相關的研究;第3章提齣基於自適應Quorum係統同步傳感器網絡的介質訪問控製協議;第4章提齣基於Quorum元素偏移的同步介質訪問控製協議;第5章提齣自適應調整工作時隙長度的異步介質訪問控製協議;第6章提齣無綫傳感器網絡中網絡壽命、匯聚信息量和采樣周期摺中的優化調度算法;第7章提齣基於可變聚閤率的數據聚閤調度策略;第8章對全書進行總結,介紹取得的相關成果,並展望下一步研究問題。
《無綫傳感網絡調度優化技術》可作為無綫傳感器網絡研究、基於Quorum係統的介質訪問控製協議研究的教材,也可供從事相關專業的教學、科研和工程技術人員參考。
作者簡介
龍軍,1972年8月生,教授、博士生導師,美國哥倫比亞大學訪問學者、北京大學博士後、中南大學“升華學者計劃”特聘教授,湖南省傑齣青年基金、教育部新世紀優秀人纔支持計劃獲得者,中南大學大數據與知識工程科研團隊負責人。研究方嚮:網絡資源管理與可信計算,緻力於研究全球一體化的網絡資源聯邦計算框架,開發支持各類網絡資源可信接入、管理與調度的聯邦計算平颱,為智能製造、雲製造、智能工廠提供基礎支撐,建立瞭網構化軟件網絡資源管理平颱與協同開發環境。
主持完成國傢863、國傢科技支撐計劃、國傢自然科學基金等國傢課題14項,突破瞭網絡資源管理與可信計算研究領域一係列核心技術問題。科研成果在30個國傢政府機關或大型企業得到推廣應用,獲省部級科技進步奬一等奬3項、二等奬1項,授權與申請發明專利30餘項,獲得計算機軟件著作權26項。
內頁插圖
目錄
前言
第1章 緒論
1.1 無綫傳感器網絡研究背景及其意義
1.2 無綫傳感器網絡的特點
1.3 無綫傳感器網絡的應用領域
1.4 無綫傳感器網絡的介質訪問控製問題
1.5 本章小結
第2章 無綫傳感器介質訪問控製研究
2.1 無綫傳感器網絡概述
2.2 無綫傳感器網絡研究挑戰
2.3 無綫傳感器網絡介質訪問研究現狀
2.4 本章小結
第3章 基於Quorum的自適應同步介質訪問控製協議
3.1 概述
3.2 網絡模型與問題描述
3.2.1 網絡模型
3.2.2 問題描述
3.3 基於FG-grid的MAC協議設計
3.3.1 FG-gridQuorum係統
3.3.2 基於FG-grid的MAC協議
3.4 自適應的基於QuorumMAC協議
3.4.1 自適應Quorum設計
3.4.2 自適應Quorum性能分析
3.5 實驗結果
3.5.1 FG-gridQuorum係統性能分析
3.5.2 可增加QTS數量的計算
3.5.3 AQM的延遲對比
3.5.4 能量有效性對比
3.6 本章小結
第4章 基於Quorum元素偏移的同步介質訪問控製協議
4.1 概述
4.2 網絡模型與問題描述
4.3 基於Quorum兀素偏移的MAC協議設計
4.3.1 研究動機
4.3.2 ST-gridQuorum係統
4.3.3 ESQ基於MAC協議
4.4 性能分析
4.4.1 網絡延遲
4.4.2 網絡壽命
4.5 實驗與性能分析結果
4.5.1 QTS的選取與占空比
4.5.2 單跳延遲
4.5.3 端到端延遲
4.5.4 協議的使用範圍對比
4.5.5 能量與網絡壽命的實驗結果
4.6 本章小結
第5章 自適應調整工作時隙長度的異步介質訪問控製協議
5.1 概述
5.2 係統模型與問題描述
5.3 基於MAC協議的ESQ
5.3.1 研究動機
5.3.2 SO-gridQuorum係統
5.3.3 QTS壓縮矩陣
5.3.4 基於MAC協議的QTSAC
5.4 性能分析
5.4.1 網絡延遲
5.4.2 網絡壽命
5.5 實驗與性能分析結果
5.5.1 實驗設計
5.5.2 QTS數量
5.5.3 占空比的對比情況
5.5.4 -單跳延遲
5.5.5 端到端延遲
……
第6章 網絡壽命、匯聚信息量和采樣周期摺中的優化調度算法
第7章 基於可變聚閤率的數據聚閤調度策略
第8章 總結
參考文獻
圖錶索引
前言/序言
無綫傳感器網絡集閤瞭微型電子技術、低功耗嵌入式技術、無綫通信技術和分布式信息處理等技術,通過各類集成化的微型傳感器之間的協作,實時監測、感知和采集各種環境或監測對象的信息,是當前在國際上備受關注的,涉及多學科高度交叉,知識高度集成的前沿熱點研究領域,具有十分廣闊的應用前景和實用價值,被認為是對21世紀産生巨大影響力的技術之一。
無綫傳感器節點作為微小器件,隻能配備有限的電源,在煤礦井下等危險無人環境中,更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節點的壽命在很大程度上依賴於電池的壽命,所以有效地提高能量效率以延長網絡壽命是無綫傳感器網絡設計中的重要問題。而另一方麵,當監測對象狀態變化、監測事件發生時又需要迅速地將被監測對象與事件的信息盡快地傳送到人控終端,從而采取相應的控製措施以滿足無人操作裝備的平穩安全運行。因而,如何使得無綫傳感器網絡獲得高的壽命並使得網絡延遲最小化是其獲得實際應用的關鍵課題。本書主要探討無綫傳感器網絡調度優化技術問題、能量有效與延遲最小化的優化問題,並基於Quorum係統,分彆針對競爭和非競爭無綫傳感器網絡的能量高效與延遲最小化的介質訪問控製協議進行瞭深入研究。
本書編寫特色主要有:
(1)內容全麵。本書完整地介紹瞭無綫傳感器網絡的相關知識,詳細介紹瞭基於Quorum的介質訪問控製協議,對相關模型進行瞭深入分析。
(2)通俗易懂。本書由淺入深,全麵、係統地提齣瞭基於Quorum的各類介質訪問控製協議模型、模型分析、模型性能、模型實驗結果等內容。
(3)麵嚮需求。書中提齣的基於Quorum介質訪問控製協議、調度算法、聚閤調度策略等都經過大量模擬實驗驗證,為解決實際問題提供參考。
(4)圖文並茂。對於模型的性能分析、協議之間的對比等,本書給齣大量的圖形,可以讓讀者一目瞭然地查看相關結果。
通過本書的學習,讀者不僅可以瞭解無綫傳感器網絡的相關知識,而且可以掌握基於Quorum的介質訪問控製協議等相關知識,從而能以高效率研究相關理論和解決實際的問題。
引言 在蓬勃發展的物聯網 (IoT) 和大數據時代,無綫傳感器網絡 (WSN) 作為支撐海量數據采集與傳輸的關鍵基礎設施,其應用場景日益廣泛,涵蓋瞭環境監測、工業自動化、智慧醫療、智能傢居等諸多領域。然而,WSN 的規模龐大、節點異構、資源受限 (能量、計算能力、通信帶寬) 等特點,對網絡的性能提齣瞭嚴峻的挑戰。尤其是在數據采集、路由選擇、節點休眠激活等核心環節,如何高效地調度和分配網絡資源,以最大化網絡吞吐量、最小化能量消耗、延長網絡壽命、保證數據可靠性,成為當前 WSN 研究的焦點和難點。 本書旨在深入探討無綫傳感網絡中的調度優化技術,為理解和解決 WSN 麵臨的性能瓶頸提供一套係統性的理論框架和實用的解決方案。本書並非簡單羅列現有技術,而是從 WSN 的內在特性齣發,剖析不同應用場景下的調度需求,並在此基礎上,構建一係列先進的調度優化模型與算法。我們將重點關注如何平衡 WSN 中存在的各種相互製約的目標,例如,在數據傳輸量和能量消耗之間尋找最優解,在節點覆蓋率和網絡連通性之間進行權衡,在滿足實時性需求的同時提升整體網絡的生存周期。 核心內容與技術路徑 本書將圍繞以下幾個核心維度展開深度闡述: 第一部分:無綫傳感網絡基礎與挑戰 在深入探討調度優化技術之前,我們首先會迴顧 WSN 的基本概念,包括其典型拓撲結構、節點組成、通信模型以及多樣的應用場景。在此基礎上,我們將係統梳理 WSN 在實際部署和運行過程中所麵臨的普遍性挑戰,著重分析這些挑戰對網絡調度策略提齣的約束和要求。這部分內容將為後續章節的調度優化設計奠定堅實的基礎。 1.1 WSN 架構與關鍵技術迴顧: 介紹 WSN 的分層結構,包括感知層、網絡層、匯聚層和應用層,並簡述各層在數據采集、傳輸、處理和分析中的作用。 1.2 WSN 的關鍵特性與性能指標: 深入分析 WSN 的典型特性,如低功耗、低成本、自組織、動態性、異構性等,並定義衡量 WSN 性能的關鍵指標,如吞吐量、時延、能量效率、網絡壽命、數據可靠性、覆蓋率、連通性等。 1.3 WSN 麵臨的挑戰與調度需求: 詳細闡述 WSN 在實際應用中遇到的主要挑戰,包括能量受限、節點失效、信道乾擾、路由擁塞、數據冗餘、時空相關性等。重點分析這些挑戰如何直接或間接影響網絡調度決策,並引齣多樣化的調度需求。 第二部分:麵嚮吞吐量優化的調度策略 提升 WSN 的數據吞吐量是滿足日益增長的數據需求的關鍵。本部分將聚焦於如何通過優化調度策略,在有限的帶寬和節點資源下,最大化單位時間內成功傳輸的數據量。我們將從多個角度進行分析,包括節點的數據采集頻率、節點的通信時隙分配、節點的功率控製以及最優路由選擇等方麵。 2.1 數據采集調度: 2.1.1 基於事件驅動的調度: 研究如何根據感知到的事件的重要性和緊急程度,動態調整節點的采樣頻率和上報策略,避免不必要的數據采集和傳輸,從而降低能量消耗並提高關鍵數據傳輸的優先級。 2.1.2 基於覆蓋率的協同采集調度: 探討如何通過優化節點在空間上的布局和協同采集策略,在保證監測區域覆蓋率的同時,減少數據冗餘,並通過智能調度減少無效通信。 2.1.3 基於時空相關性的數據壓縮與調度: 分析數據在時間和空間上的相關性,設計基於壓縮感知、稀疏錶示等理論的智能調度策略,僅采集和傳輸最具代錶性的信息,顯著降低通信開銷。 2.2 通信調度與資源分配: 2.2.1 時分多址 (TDMA) 與頻分多址 (FDMA) 調度優化: 分析和改進傳統的 TDMA 和 FDMA 調度算法,使其能夠適應 WSN 的動態性和異構性。研究如何動態劃分時隙和頻率,以最小化衝突和提高信道利用率。 2.2.2 載波監聽多址 (CSMA/CA) 優化: 針對 CSMA/CA 協議在 WSN 中的性能瓶頸,提齣改進的衝突避免和擁塞控製機製,例如基於節點剩餘能量的自適應退避機製,或基於信道質量預測的調度調整。 2.2.3 混閤調度策略: 結閤 TDMA、FDMA 和 CSMA/CA 的優點,設計能夠根據網絡狀態和應用需求動態切換的混閤調度策略,以期獲得更優的整體性能。 2.3 功率控製與調度聯閤優化: 2.3.1 基於信道質量的自適應功率控製: 研究如何根據通信鏈路的信道質量,動態調整節點的發射功率,在保證通信可靠性的前提下,降低能量消耗,並為其他節點騰齣更多的通信資源。 2.3.2 吞吐量與功率消耗的權衡: 建立吞吐量最大化和功率消耗最小化的多目標優化模型,並提齣相應的聯閤調度和功率控製算法。 第三部分:麵嚮能量效率與網絡壽命優化的調度策略 能量是 WSN 最為寶貴的資源。本部分將深入研究如何設計高效的調度策略,以最大限度地延長網絡的整體運行時間。我們將重點關注節點休眠/喚醒調度、數據中繼調度以及節能路由選擇等方麵。 3.1 節點休眠/喚醒調度優化: 3.1.1 基於覆蓋率保持的休眠調度: 研究如何通過智能的休眠/喚醒調度,在保證監測區域的連續覆蓋的前提下,最大化節點的休眠時間,從而顯著降低能量消耗。 3.1.2 基於連通性維持的休眠調度: 關注如何通過協同的休眠/喚醒策略,確保網絡始終保持良好的連通性,避免節點因局部休眠而導緻網絡割裂。 3.1.3 基於隨機性和確定性的混閤休眠調度: 探索結閤隨機性(例如概率性喚醒)和確定性(例如預定喚醒時間)的混閤調度方法,以應對未知網絡拓撲變化和節點故障。 3.2 數據中繼與節點角色調度: 3.2.1 簇頭 (CH) 選舉與數據匯聚調度: 深入分析簇頭選舉算法對網絡能量消耗的影響,並提齣更優的簇頭動態選舉和數據匯聚調度機製,以均衡簇頭節點的能量負擔。 3.2.2 數據中繼路徑優化: 研究如何選擇最優的數據中繼路徑,將數據高效地傳輸到匯聚節點,避免能量消耗過大的節點承擔過重的轉發任務。 3.2.3 移動節點與靜態節點協同調度: 考慮帶有移動節點的 WSN,研究如何調度移動節點與其通信,以更有效地收集數據或作為能量補充。 3.3 節能路由選擇與調度: 3.3.1 基於剩餘能量的路由選擇: 提齣基於節點剩餘能量的路由發現和選擇算法,優先選擇能量充足的節點進行數據轉發,以避免能量耗盡的節點。 3.3.2 能量感知的多路徑路由: 研究如何利用多條路徑來分載數據傳輸的能量消耗,並根據信道狀況和節點能量動態調整路徑。 3.3.3 最小消耗樹 (MCT) 路由優化: 探索如何構建以整個網絡能量消耗最小化為目標的路由樹。 第四部分:麵嚮數據可靠性與實時性優化的調度策略 在許多 WSN 應用場景中,數據的準確性和及時性至關重要。本部分將重點關注如何設計調度策略,以保證數據的完整性、準確性,並滿足嚴格的實時性要求。 4.1 數據可靠性保障調度: 4.1.1 擁塞控製與丟包恢復調度: 分析網絡擁塞對數據丟包的影響,提齣基於擁塞預測和自適應傳輸速率調整的調度機製,並結閤冗餘編碼和確認機製提升數據可靠性。 4.1.2 節點失效檢測與重路由調度: 研究如何快速檢測節點失效,並及時觸發重路由機製,確保數據能夠通過其他可用路徑繼續傳輸。 4.1.3 數據一緻性與冗餘調度: 在分布式環境中,如何通過協調調度確保多個節點采集的數據在邏輯上保持一緻,並設計策略處理傳感器數據中的噪聲和異常。 4.2 實時性保障調度: 4.2.1 優先級調度機製: 為不同類型的數據(例如,緊急警報、周期性監測數據)分配不同的優先級,並設計調度算法優先處理高優先級數據。 4.2.2 確定性時延調度: 研究如何為對時延有嚴格要求的應用(例如,工業控製、遠程醫療)設計能夠提供確定性時延的調度策略。 4.2.3 延遲容忍網絡 (DTN) 的調度優化: 針對節點間可能存在長時間隔離的 DTN 環境,研究數據存儲、轉發和調度策略,以在時延容忍的前提下最大化數據交付率。 第五部分:先進調度優化技術與模型 本部分將引入更高級的調度優化方法,以應對 WSN 復雜多變的特性和多目標協同的需求。我們將介紹基於優化理論、機器學習和人工智能等領域的先進技術在 WSN 調度優化中的應用。 5.1 基於數學規劃的調度模型: 5.1.1 整數綫性規劃 (ILP) 與混閤整數綫性規劃 (MILP): 建立 WSN 調度問題(如資源分配、時隙分配)的 ILP/MILP 模型,並討論求解的挑戰和近似算法。 5.1.2 組閤優化算法: 介紹如遺傳算法、粒子群優化 (PSO)、蟻群優化 (ACO) 等啓發式和元啓發式算法在復雜調度問題中的應用。 5.2 基於機器學習的調度決策: 5.2.1 強化學習 (RL) 在自適應調度中的應用: 探索利用強化學習,使 WSN 節點能夠通過與環境交互,自主學習最優的調度策略,以適應動態的網絡環境和未知的乾擾。 5.2.2 監督學習與無監督學習在流量預測與資源分配中的應用: 利用機器學習預測網絡流量、信道狀態,為調度決策提供數據支持。 5.3 多目標優化與博弈論在調度中的應用: 5.3.1 Pareto 優化與多目標進化算法: 針對 WSN 調度中存在的吞吐量、能量、時延等多目標衝突,引入 Pareto 優化思想,尋找最優的摺衷解。 5.3.2 博弈論在分布式調度中的應用: 分析 WSN 中節點之間的協作與競爭關係,利用博弈論模型來設計分布式調度策略,促使節點趨嚮於全局最優或自身利益最大化。 第六部分:案例研究與未來展望 為瞭加深讀者對理論知識的理解,本書將包含一係列典型的 WSN 應用場景下的調度優化案例研究。這些案例將涵蓋環境監測、工業故障診斷、智能交通等,通過具體問題求解,展示所介紹的調度技術的實用性和有效性。最後,我們將對 WSN 調度優化技術未來的發展趨勢進行展望,包括麵嚮大規模異構 WSN 的調度、與邊緣計算和雲計算的融閤調度、以及在安全性與隱私保護下的調度優化等。 6.1 典型應用場景下的調度優化案例: 6.1.1 環境監測網絡中的能效調度: 針對長期部署的環境監測傳感器,設計優化的休眠/喚醒和數據采集調度,以最大化網絡壽命。 6.1.2 工業自動化中的實時調度: 研究在需要低時延和高可靠性的工業控製環境中,如何通過優先級調度和擁塞控製來保證實時性。 6.1.3 智慧農業中的協同調度: 探討如何協調不同傳感器(土壤、氣象、作物生長)的數據采集和傳輸,以優化農業生産決策。 6.2 未來發展趨勢與挑戰: 6.2.1 麵嚮海量異構 WSN 的調度: 隨著物聯網設備數量的爆炸式增長,如何應對海量異構節點帶來的調度復雜性。 6.2.2 邊緣計算與 WSN 調度的融閤: 探討如何將計算能力推嚮網絡邊緣,優化數據處理和調度決策。 6.2.3 安全性與隱私保護下的調度優化: 在確保數據安全和用戶隱私的前提下,設計魯棒的調度策略。 6.2.4 AI/ML 在 WSN 調度中的進一步應用: 展望人工智能和機器學習在 WSN 調度領域的更深層次應用,實現更智能、更自適應的調度。 結論 本書力求為研究人員、工程師和學生提供一個全麵而深入的 WSN 調度優化技術學習平颱。通過對本書的閱讀,讀者將能夠掌握 WSN 調度優化的核心理論,理解不同場景下的調度需求,並能靈活運用各種先進的技術和算法來解決實際問題。我們相信,通過對這些先進調度技術的深入研究和應用,能夠顯著提升無綫傳感網絡的性能,為其在各個領域的廣泛應用提供堅實的技術支撐,從而推動物聯網和智慧化社會的進一步發展。