软件定义传感器网络拓扑控制及QoS路由研究

发布时间：2020-07-31 17:39

【摘要】：无线传感器网络糅合了无线通信技术和嵌入式技术,通常由低功耗无线通信模块、小型嵌入式设备以及各种类型的传感器组成,是一种具有数据采集、信息处理和系统控制等功能的自组织多跳无线通信网络。节点通过协作的方式完成对某一区域的信息感测任务,可以部署到环境恶劣的区域,目前在军事信息收集、环境监测等领域多有应用。但是也存在一些技术限制,例如:节点能量和硬件资源有限、网络使用无线通信方式存在不稳定因素以及网络部署环境恶劣难以维护等。随着对无线传感器网络技术研究的深入,一些专家学者认识到基于传统网络架构的无线传感器网络研究已经进入了瓶颈阶段,亟需寻求新的突破方向。软件定义网络是一种新的网络架构,该架构采用数据平面与控制平面分离的方式,简化了网络管理操作,提高了网络扩展性,具有十分广阔的应用前景。因此已有研究者将软件定义的思想引入到无线传感器领域,形成了软件定义无线传感器网络。本文依据目前较完善的一种软件定义无线传感器网络架构,针对网络节点能量有限且能耗不均衡以及需要为多应用服务提供差异化的QoS保障的问题,研究了软件定义无线传感器网络的拓扑控制及QoS路由技术。(1)针对软件定义无线传感器网络中通常节点能量受限,节点间能耗不均衡会导致网络生存时间缩短的问题。为了准确刻画节点间由于节省能量而出现的自私行为,同时综合考虑节点的能量效率和能耗均衡,通过引入博弈理论并加入阿特金森指数设计了一种改进优化的综合效用函数,基于此建立了一种能耗均衡的拓扑博弈模型,并证明了该拓扑博弈模型是序数势博弈且存在帕累托最优,进而提出了一种能耗均衡的拓扑博弈算法。算法可以有效均衡网络能耗,提升网络能量效率,延长网络生存时间。(2)针对软件定义无线传感器网络可能同时承载多种应用服务并需要提供差异化的QoS保障的问题。算法确定了以提高不同类型数据分组的服务质量为出发点,同时综合考虑了节点剩余能量、数据传输时延及稳定性等因素对QoS的影响,并通过引入演化博弈理论设计了一种改进优化的综合效用函数,从而提出了一种基于演化博弈的区分服务QoS路由算法。该算法可以有效为多类型的数据分组提供区分服务,确保符合应用要求,提升网络运行效率。
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：

无线传感器网络,结构示意图,节点

无线传感器网络中一般由三种节点组成：普通节点、Sink 节点和管理终端。如图2.1 所示。汇聚节点监测区域管理终端用户互联网传感器节点图 2.1 无线传感器网络结构示意图传感器节点：出于对部署环境和部署成本的考虑，传感器节点通常采用电池供电的方式且节点的硬件资源有限。它们作为网络中的普通节点，具有数据感测、数据融合和数据转发等功能，通过节点间协作完成对监测区域的监测任务。汇聚节点：普通节点收集到的感测数据需要发送到 Internet 外部网络，具有更丰富硬件资源和更强通信能力的汇聚节点可以作为“简单的网关”承担这项任务，同时汇聚节点也可以提供感测数据存储、融合和管理等功能。管理终端：它是无线传感器网络最外围的设备，可以对网络进行管理和维护。用户可以藉由管理终端实现对监测区域状态信息的查询、管理以及监测任务的更改等操作。

示意图,网络性能,参数λ,示意图

（c）网络平均节点度（d）网络最短路径的平均跳数图 3.3 参数 λ对网络性能的影响示意图图 3.3（a）显示，节点的平均发射功率会伴随 λ值的增加而降低，当 λ的值大于 2时，节点发射功率的变化情况基本趋于相似；图 3.3（b）显示，邻节点的平均剩余能量随着 λ值的增大而降低，当 λ值大于 2 时，邻节点平均剩余能量变化情况基本趋于相似；图 3.3（c）显示，网络平均节点度在的 λ值大于 2 时，变化情况趋于相似；图 3.3（d）显示，网络最短路径的平均跳数在的 λ值大于 2 时之后的变化情况趋于相似。综上所述，依据无线传感器网络拓扑的基本知识[55]，当网络中的节点发射功率较低且具有适中的节点度及链路跳数时，可以认为该类型的网络拓扑结构较优，以节点运算能力和网络综合性能的考虑为出发点，本文将参数 λ的值设为 2，参数 μ的值设为 1。

示意图,网络拓扑,算法,示意图

（c）DEBA （d）DTCG图 3.4 四种算法网络拓扑示意图为了清晰直观的对比 DIA 算法、MLPT 算法、DEBA 算法和 DTCG 算法所形成的网络拓扑结构的不同，本文将 50 个节点随机散布在 150m×150m 的区域内，生成对应的网络拓扑，如图 3.4 所示。从该图能够得出如下结论：DIA 算法所构建的网络拓扑中节点的负载较大、剩余能量较少（节点旁标出）并且网络鲁棒性不好；MLPT 和 DEBA算法节点度较高，冗余节点较多，会导致能量消耗较快；相较另外三种算法，DTCG 算法在不影响网络连通性及鲁棒性的前提下，拥有较低的节点度及较少的冗余节点。由网络拓扑结构的一般性理论可知，DTCG 算法拥有适中的节点度及冗余节点数量，在避免通信干扰和拥塞的同时可以获得较优的鲁棒性，能够提高网络的运行效率。本文设置了 8 组实验，每组实验的节点数目不同，分别从 30 个递增至 100 个节点，其它详细实验参数设置情况如表 3.2 所示。实验需要获取四种算法的节点发射功率、节点间最短链路的跳数以及网络节点度四种参数的平均值来进行网络性能对比。由图 3.5 可以观察四种算法的节点平均发射功率的对比情况。图中显示在一定监测

【参考文献】