面向事件检测的无线传感器网络服务质量保障

论文摘要

服务质量广义上是服务提供者与用户之间的协定。保障一定的网络服务质量(QoS)对于任何类型的网络都是最重要的设计指标。无线传感器网络(WSN)的本质目标是按照用户对信息准确度的要求提取物理世界的模型参数。它必然要为它的服务提供QoS保障。本学位论文针对面向事件检测的WSN,从连通质量保障、保障连通覆盖质量的节点部署、实时路由及传输保障以及衰落信道下的信息质量保障等方面研究了QoS保障的基本理论和关键技术。首先,在对WSN的协议和算法进行理论论证和性能评价时,常常需要抽象出一些重要的模型,如传感模型、通信模型、网络模型和能量模型等。本文总结、分析并改进了相关模型,主张采用的模型应尽量与实际相近,使理论结果更加可信。连通性是形成网络的基础。为了保障随机部署网络的连通性,本文分析了不对称对数阴影模型下WSN的连通质量随节点密度增大的变化法则及其影响因素。在节点分布服从泊松点过程并消除边界效应的前提下,导出了网络无孤立点概率的闭环表达式,作为网络单连通概率的上界,并由此得到了使网络单连通的节点密度的紧下界。推导过程将本地链路特性与全局网络的连通性联系起来,可以清楚看到各种因素诸如路径衰减系数、阴影方差、发射功率和编码方式等对网络连通性的影响。针对用户对区域的非均匀覆盖和概率连通要求,本文提出了保障覆盖连通质量的节点部署策略。将部署问题转化为多目标优化问题,采用了禁忌搜索和遗传算法两种启发式算法分别求解该多目标优化问题。仿真结果表明这两种算法求解的部署方式都优于随机部署和规则部署,并且,遗传算法由于提供了非支配解,可供用户根据实际条件选择部署方法,能更好地在两个目标之间找到权衡。为了使实时数据在用户指定的截止期内完成从源节点到基站的可靠传输,本文提出了基于两跳邻居信息的实时路由协议THVR。THVR将贪婪距离和剩余能量都转化为虚拟速率,并基于两跳虚拟速率选择转发节点,加上节能的主动丢包控制策略可以较好地提高能效。THVR在每次选择转发节点时采用了类似“望远镜”的功能,观察了两跳范围内的链路性能,实现了两跳范围内的延迟和能耗优化。仿真结果显示提出的路由方案比基于单跳邻居信息的两种常用的实时可靠路由的截止期错失率更低,能量效率更高,而且能获得更好的能耗均衡。最后,针对衰落信道下的信息融合问题,本文研究了在最优似然比融合规则的基础上提出了三种次优算法。它们相比比最优算法占用系统资源少,复杂度低,适用于在不同的信噪比环境。在资源受限的WSN中,针对不同的应用场合,选择的融合规则要在性能,耗费资源量和复杂度之间获得折衷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 主要符号对照表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络
• 1.1.2 传感器网络应用类型
• 1.1.3 无线传感器网络的服务质量保障
• 1.1.4 在WSN中保障QoS的问题与挑战
• 1.2 在WSN中提供QoS保障的分解实现
• 1.2.1 以网络结构为基础的QoS保障体系
• 1.2.2 以数据为中心的QoS保障体系
• 1.3 现有的QoS保障体系
• 1.3.1 VigilNet
• 1.3.2 RAP
• 1.4 本文组织结构与主要工作
• 1.4.1 全文组织结构
• 1.4.2 WSN相关建模分析
• 1.4.3 网络连通保障及影响因素分析
• 1.4.4 保障连通覆盖的节点部署
• 1.4.5 路由传输保障
• 1.4.6 检测信息质量保障
• 2 无线传感器网络建模分析
• 2.1 引言
• 2.2 传感模型
• 2.2.1 布尔圆模型
• 2.2.2 概率衰减模型
• 2.2.3 多传感器感知模型
• 2.3 信道衰落模型
• 2.3.1 大尺度衰落（慢衰落）模型
• 2.3.2 小尺度衰落（快衰落）模型
• 2.4 链路模型
• 2.4.1 空间特性建模
• 2.4.2 时间特性建模
• 2.4.3 时空建模小结
• 2.5 网络模型
• 2.5.1 空间点分布模型
• 2.5.2 网络连通模型
• 2.6 能量模型
• 2.7 本章小结
• 3 网络连通质量保障及影响因素分析
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.2.1 邻节点数是否存在"魔数"
• 3.2.2 无线网络中的"渗流"现象
• 3.2.3 通信模型
• 3.3 预备知识
• 3.3.1 节点分布
• 3.3.2 邻节点数
• 3.3.3 边界效应
• 3.4 网络连通性分析
• 3.4.1 无孤立点概率
• 3.4.2 单链路连通分析
• 3.5 仿真结果及讨论
• 3.5.1 仿真配置
• 3.5.2 评价指标
• 3.5.3 仿真结果及评价
• 3.5.4 最大连通块尺寸
• 3.6 本章小结
• 4 支持连通覆盖质量保障的节点部署
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.3 系统模型与问题描述
• 4.4 方法一:禁忌搜索
• 4.4.1 计算初始解
• 4.4.2 邻域解搜索
• 4.4.3 代价函数
• 4.4.4 TS小结
• 4.5 方法二:遗传算法
• 4.5.1 产生初始种群
• 4.5.2 快速非支配排序
• 4.5.3 拥挤度比较
• 4.5.4 选择、交叉和变异
• 4.5.5 GA小结
• 4.6 仿真及性能评价
• 4.6.1 仿真设置
• 4.6.2 评价指标
• 4.6.3 仿真结果
• 4.7 本章小结
• 5 基于2-hop邻居信息的实时路由及传输质量保障
• 5.1 引言
• 5.2 相关工作
• 5.2.1 与实时QoS相关的路由协议
• 5.2.2 k-hop（k≥2）邻居信息的计算及应用
• 5.3 基于k-hop信息的地理位置路由性能增益
• 5.4 THVR设计方案
• 5.4.1 转发策略
• 5.4.2 延迟估计
• 5.4.3 主动丢包控制
• 5.5 仿真及性能分析
• 5.5.1 MAC设置
• 5.5.2 链路质量模型
• 5.5.3 能量模型
• 5.5.4 连通性保障
• 5.5.5 仿真评价
• 5.5.6 问题讨论
• 5.6 本章小结
• 6 衰减信道下的检测信息质量保障
• 6.1 引言
• 6.2 相关工作
• 6.2.1 系统模型与问题描述
• 6.3 融合规则设计
• 6.3.1 似然比融合规则
• 6.3.2 分段融合规则
• 6.3.3 加权平均融合规则
• 6.3.4 简单平均融合规则
• 6.3.5 物理意义分析
• TS、∧_WED和∧_ED的分布统计分析'>6.3.6 ∧_TS、∧_WED和∧_ED的分布统计分析
• 6.4 融合性能分析和比较
• 6.4.1 ROC曲线分析
• 6.4.2 偏移系数
• 6.4.3 系统检测概率与信噪比关系
• 6.4.4 系统检测概率与节点数的关系
• 6.4.5 传感器节点性质不同时的系统检测性能比较
• 6.4.6 仿真结果小结
• 6.5 本章小节
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文与参加科研项目