信息物理融合系统中基于网关的异构网络通信问题研究

发布时间：2019-09-04 10:28

【摘要】：信息物理融合系统是一种集成了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、通信技术和控制技术的综合系统,能够监测与采集工作区域内的环境或监测对象的信息,并通过各类执行器对它们进行干预。为了实现上述功能,系统内部各设备之间的数据交换是必不可少的,而系统中的通信网络支撑着设备之间的数据传输。信息物理融合系统中的通信网络是由传感器网络、执行器网络、计算机网络等多种网络构成的组合通信网络,这些网络常常是异构的,使得不同网络中的设备不能直接进行数据交换。为了将系统中的各个设备以及异构网络连接起来,需要在系统中布置配备了多种无线通信技术,并且能够连接多种异构网络的网关设备。网关设备的成本相对于价格低廉的传感器设备等是十分昂贵的,而网关设备的通信覆盖范围以及数据传输能力都是十分有限的。布置更少的网关满足系统的通信需求、更有效的利用网关有限的通信资源以及系统中的设备选择最合适的网关进行连接是降低系统通信网络成本、提高系统通信网络性能的重要手段。本文将从异构网络中的网关布置、网关带宽分配以及网关选择等几个方面展开研究。本文的主要研究工作如下:首先,本文研究了如何在满足异构网络通信需求的同时,尽量减少布置的网关数量的问题。信息物理融合系统存在大量不同类型的设备,不同类型的设备的通信半径与数据传输需求是不同的。在布置的网关的时候,必须要使系统中的每一个设备都能连接到至少一个网关设备,并且设备的通信需求能够得到满足。选择恰当的网关布置位置,就可以利用最少数量的网关实现上述性能要求。目前的研究多是关注于如何从已有设备中挑选出成为网关的设备,以提高系统性能,降低系统成本,这些工作并不适用于信息物理融合系统的异构通信网络。本文给出了满足异构网络通信需求的最小化网关布置数量问题的定义,并分析该问题的计算难度,进而提出了两种启发式算法来解决该问题。其中一种是基于平面几何关系的算法,该算法适用于网关可以布置在任意位置的情况。另一种是基于网格布置的算法,该算法用于应对网关布置位置受限的情况。其次,本文研究了如何分配布置在异构通信网络中的网关的传输带宽,以最大化系统中数据包成功传输率的问题。为了有效的监测物理世界并正确的对其进行干预,信息物理融合系统的数据都是具有时效性的,超过时限的数据将失去价值,只有在规定时间内完成数据的传输,数据包的传输才是成功的。异构网络设备之间数据传输需要通过网关来实现,而网关的传输带宽是有限的,只有当网关带宽得到充分利用的时候,才能最大程度的保障系统中的数据包被成功传输,同时信息物理融合系统的工作环境复杂,需要应对的情况难以预测。本文提出了两种静态网关带宽分配策略与一种动态网关带宽分配策略来最大化系统中数据包成功传输率。静态网关带宽分配策略基于两种考虑,第一种尽可能的充分利用网关的传输带宽,对每一个数据包都尽全力传输。第二种是将网关分配给每个数据包的传输带宽尽可能的压缩,为未来可能到达的数据包留出余地。动态网关带宽分配根据网关的工作情况实时的对网关的带宽分配进行调整,在充分利用网关带宽的同时,也能应对未来可能的达到的传输任务。然后,本文研究了系统中的设备如何选择合适的网关,以保障设备获得公平的网关带宽的问题。网关的通信带宽是信息物理融合系统中的重要资源,占有越多的通信带宽,就越能提高设备的数据传输速度,降低数据传输超时的可能性。同时,为了提高系统通信网络的整体性能,网关的负载平衡也是必须要考虑的。本文提出了基于演化博弈理论的网关选择算法。该算法能够保障系统中设备获得的网关带宽尽量可能的相近。同时,利用演化博弈理论,本文研究了系统中的设备在发现其获得的网关带宽较少时,将如何改变其连接的网关。本文给出了网关带宽的分配模型,并将设备更改其连接的网关的过程描述为一场系统异构网络中所有设备的演化博弈。系统中设备是该博弈的参与者,而收益是设备获得的网关带宽。本文给出了该演化博弈的复制动态并分析了演化均衡的存在性与稳定性。最后,本文研究了系统中的设备如何通过改变其连接的网关以最大化其所在网络的设备获得的总网关带宽的问题。通过上面的分析可以看出,网关带宽是信息物理融合系统中重要的通信资源。同时,虽然异构网络中的设备不能直接进行数据传输,但是处于同一网络中的设备并没有该限制。设备所在网络获得的网关带宽越多,对设备来说也越有利。由于上述原因,不同的网络之间将会争夺系统中有限的网关带宽资源。本文形式化的给出了最大化子网收益的网关选择问题的定义,并将其刻画为非线性整数规划问题。根据上述设备选择网关的特点,本文给出了该问题的非合作博弈模型,即不同子网中的设备通过改变其连接的网关来最大化自己的收益。本文提出了基于博弈理论的分布式网关选择算法,分析了系统的稳定状态以及博弈的纳什均衡的存在性与可达性。通过实验验证了上述分布式网关算法具有很好的性能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN915.0

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