基于梯度化邻居节点信息的传感器网络性能优化*

由于路由控制粒度粗,传统最小跳数路由无线传感器网络模型MHR存在数据汇聚可靠性差和能量有效性低等问题,需进一步完善。为改善传统MHR网络的性能,提出一种高效可靠的最小跳数路由无线传感器网络模型MHR-ER,在MHR网络的基础上,通过提取网络梯度化邻居节点信息作为路由精细化控制的依据,通过限制最小跳数梯度场梯度层次宽度以保证数据汇聚的高可靠性,通过限制数据分组的各跳转发节点数以提高数据汇聚的能量有效性。理论分析和仿真结果表明,与MHR网络相比,MHR-ER网络具有极高的数据汇聚可靠性和较好的能量有效性,有利于推动最小跳数路由无线传感器网络的实际应用。     

MHR无线传感器网络梯度场动态调整策略

为了适应无线传感器网络的动态拓扑结构特性、提高数据汇聚的可靠性,MHR无线传感器网络的最小跳数梯度场应该实时动态更新。为节省能量,节点可实时监听其梯度化邻居节点信息并据此动态调整其拥有的最小跳数值,以实现MHR无线传感器网络最小跳数梯度场的廉价动态实时更新。理论分析和仿真结果表明该方法在无线传感器网络物理拓扑结构不发生大规模突变的状态下具有良好的效果。     

基于预测的传感器网络副本自适应控制机制

最小跳数路由无线传感器网络具有自动倾向于路径最短、时延最小、能量最省的潜在优点,但已有机制尚不能保证这些优点的充分发挥.为充分发挥最小跳数路由无线传感器网络的潜在优势,在传统的最小跳数路由无线传感器网络数据汇聚机制的基础上,引入基于预测的自适应数据副本保证与抑制机制,形成MHR-DC网络模型.MHR-DC网络在基本不增加数据分组汇聚全程转发跳数的前提下,通过同跳节点代传以保证所有源生负载的高可靠传输、通过抑制数据分组的重复传送程度以提高网络能量效率、通过避开转发负载重的节点区域以达到负载均衡,优化网络综合性能指标,并增强网络时延最小的潜在优势.理论及仿真分析表明,该机制能保证网络数据传输的高可靠性和能量有效性以及优越的网络综合性能.     

基于精细化梯度的传感器网络节点距离测量

定位在无线传感器网络中具有极其重要的作用,而距离测量往往是定位的前提、寻求低成本、低开销、高精度的分布式传感器网络节点距离测量算法是本文的主要目的.根据无线传感器网络最小跳数梯度场中节点精细化梯度值的分布特征,提出了一种基于精细化梯度的传感器网络节点距离测量方法DV-FGI.与DV-hop算法相比,DV-FGI保留了DV-hop算法低成本、低开销的优点,具有更高的测量精度,并将节点距离测量分辨率从节点有效通信半径提高至网络节点间距.理论分析及仿真结果表明,该算法在节点密集分布的无线传感器网络中具有很好的效果.     

基于网络编码的无线多跳网络寿命优化模型研究

针对无线多跳网络的寿命优化问题,通过将无网络编码、双向网络编码和侦听网络编码的寿命优化问题转化为线性约束规划问题,提出一种基于网络编码的无线多跳网络寿命优化模型。在该模型中,基于功率控制模型、数据流个数、业务需求分布和每个节点初始能量的随机拓扑模型,首先对这三种不同情形下的网络寿命优化问题进行建模。然后使用内点法对这些问题进行求解,最后评估网络寿命。通过对多种情况下网络编码对网络寿命的影响进行仿真,验证了模型的有效性。仿真结果表明,在弱功控情况下网络编码可以取得较好的网络寿命增益,且该增益随数据流个数的增加而增加,相对于侦听网络编码方法,双向网络编码方法在取得相近性能的同时,具有更低的计算开销。     

无线传感器网络中能耗平衡的混合路由模型研究

针对无线传感器网络中能耗不均衡问题提出了一种单跳和多跳相结合的路由模型,该模型将簇内平均能量作为路由调整阈值,根据节点剩余能量对网络路由进行周期性调整,使节点路由在单跳、多跳模式间转换;通过对该路由模型能耗规律的理论分析和仿真实验,说明该模型有效地平衡了网络能耗,弥补了只采用单跳路由或多跳路由时网络能耗不平衡之不足,延长了网络生命周期.     

基于最小巡游概率的网络空洞平衡唤醒算法

在网络移动Agent(MA)模式下环形路由设计中,由于网络数据包传输冲突产生空洞,需要设计空洞平衡唤醒算法,以平衡网络能量,延长网络寿命。传统方法采用自适应学习粒子群算法,构建C/S模式下的空洞平衡唤醒算法,由于网络能耗不均衡也将容易使网络产生信息空洞的孤岛节点,性能不好。提出一种基于最小巡游概率的移动Agent的能量平衡环形路由信息空洞唤醒算法,建立最小跳数链路与梯度环,提供MA休眠和唤醒所需能量,进行MA迁移与数据回传,进行最小跳数链路路由算法设计,构建最小巡游概率判别准则与整体网络拓扑结构,实现网络信息空洞平衡唤醒算法的改进。仿真结果表明,该算法能数据包跳数构建网络拓扑,有效抑制了数据包在同一梯度内重传现象,通过最小概率巡游,有效减少因节点死亡而产生网络空洞的概率,有效克服网络能耗不均衡也产生信息空洞的孤岛节点,sink节点会相继收到由内环到外环各层MA所回传的融合数据,有效延长网络使用寿命,提高系统稳定性。     

NHLERE:应用蚁群算法的WSN路由算法

针对WSN中节点能量有限及节点间链路随机损耗特点,提出一种基于蚁群算法的用于无限传感器网络的路由算法-NHLERE,利用蚁群算法正反馈、分布式协作的特点,将距汇聚节点的跳数和链路质量信息融合到信息素的形成中,并将信息素和节点剩余能量作为启发信息,通过模拟蚂蚁的寻径行为形成并优化到达汇聚节点路由.实验结果表明,与LEPS相比NHLERE算法具有更高的数据传输效率,并能使网络内各节点能量消耗趋于均衡,从而延长WSN网络生命期.     

多下一跳路由机制下负载均衡算法研究*

多下一跳路由机制中,各个节点都预先建立多下一跳转发表。在路由收敛期间,数据通过多下一跳转发表转发,从而解决断流问题,提高网络的自愈能力。提出了一种多下一跳路由机制下的负载均衡转发算法。该算法包括三个部分,即选择候选下一跳集、数据流分配映射和基于过载链路的反馈式动态调整。采用哈希函数分配数据流保证了每个业务流的报文保序问题。通过对下一跳链路的实时信息统计,采用动态调整机制可以达到很好的均衡效果。     

一种物联网框架下传感节点间跳数与距离关系的研究

研究对数阴影衰落模型的无线传感器节点间跳数与距离关系的问题。随机部署在圆形区域内的节点位置服从Poisson分布,节点间自组织构成连通网络。借助于对数阴影衰落模型特征和节点分布规律,给出了已知节点间距的跳数概率分布表达式,同时考虑了多跳依赖问题对分布表达式的影响;基于贝叶斯公式,推导出已知跳数信息的距离分布关系,并进行了实验分析与验证。结果表明,理论的推导结论与实验统计结果具有较好的一致性。     

周期性移动公交车载网络路由协议

公交车载网络作为城市车载网络中的重要组成部分,由于具有周期性移动规律,能为城市车载网络的大范围通信提供支撑,而复杂的城市道路环境给公交车载网络的高效可靠路由协议带来了极大的挑战。针对具有周期运动特征的公交车载网络,设计单跳与实时改进的多跳路由协议SRMHR,保证单跳转发的链路生存时间以及多跳转发有限延时内的提交概率;根据城市信号传播衰减特征和车辆移动模型设计单跳链路筛选机制,并结合改进的多跳延时相关概率转发模型,保证公交转发的高效、可靠。在城市交通模拟仿真平台上,结合微调的真实道路交通数据,分别测试了方案中信号衰减模型、不同车流密度下候选筛选以及红灯延时修正的性能参数,验证了方案中各环节的有效性;最后与SF和SW协议的性能进行了对比,结果表明SRMHR协议具有较高的数据传输成功率和较低的递交延时。     

基于CKSP的分段路由负载均衡技术

针对当前以云计算、大数据为代表的新兴业务需求,现有的MPLS(Multi-Protocol Label Switching)网络存在协议复杂、扩展性差、运维困难等问题。因此文中采用分段路由(Segment Routing,SR)转发技术,根据软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)集中控制、开放编程的特点,提出了一种基于受限K最短路径(Constrained K-Shortest Pathes,CKSP)算法的分段路由负载均衡的技术方案。首先,控制器与各网络节点以OpenFlow协议进行信息交互,对全网拓扑结构和链路速率进行监控;然后,分段路由应用根据北向接口以二级流表、多节点中继的方式实现转发表等初始表项的构建和段列表计算;最后,设计了一种根据链路利用率和跳数进行非均匀加权的CKSP算法。实验结果表明:该技术方案可以增大网络吞吐量,平滑流量分布,降低数据流平均时延和网络总丢包率。     

基于MPEG-4 FGS的视频流量模型

目前MPEG-4精细颗粒度可伸缩性(Fine Graruldty Scalability，FGS)编码视频正成为视频流服务的一种主要的业务流，因此，针对MPEG-4FGS视频流量进行建模对于网络性能仿真和通信网络设计具有十分重要的意义。该文首先介绍了MPEG-4FGS编码原理，然后对MPEG-4FGS视频流量的统计特性进行了分析，在此基础上，提出了基于MPEG-4FGS的视频流量模型。实验结果表明，该模型能较好地拟合原视频帧序列大小，且能根据网络带宽的动态变化进行适应的码率分配。     

基于系统最优的航空信息网络流量均衡方案

随着未来空战的需求,当前的航空信息网络逐渐暴露出种种不足,如针对不同作战任务网络应具备较强的差异化服务能力、网络中各平台节点间的信息不能得到及时共享、网络规模的增加导致网络中流量发生拥塞和网络架构更加臃肿等问题,而SDN的出现较好地解决了这一问题,通过将SDN与航空信息网络相结合,创新性地提出了一种软件定义航空信息网络。文中面向航空信息网络中的流量传输问题,针对网络中流量分布不均衡的情况,提出了一种基于系统最优(System Optiminzation,SO)的流量负载均衡方案。文中通过构建混合SDN/IP航空信息网络模型,在网络中利用SDN控制器的集中控制特性使SDN节点对业务流量进行多路径转发,进而实现对其调度优化,并定义链路拥塞系数和SDN数据流,以链路利用率最小为目标,利用Wardrop均衡理论分析求解,参照系统最优原则,并提出一种基于SO的流量均衡分配算法。为体现所提算法的优越性,仿真中同时设置了SMR算法和MSR算法,结果表明SOA算法在业务完成率与业务吞吐量方面均有显著提升,如在大规模网络中,MSR和SMR算法的业务完成率分别为58.4%和52.2%,而SOA算法的业务完成率大约为70.5%,性能分别提升了20.7%和35.1%,因此所提算法对网络中流量的转发实现了较好的处理,为解决未来航空信息网络下的流量传输问题提供了一种新思路。     

面向无线传感器网络不同业务的区分服务算法

针对无线传感器网络中不同等级业务在传输过程中对QoS的不同要求,提出了一种适合无线传感器网络中不同业务的区分服务算法——EMHNS算法。该算法根据不同等级的业务来选择合适的转发节点,从而保证实时业务传输的时延能够达到最小,而尽力而为业务传输时时延不是考虑的主要因素,在传输尽力而为业务的时候重点考虑网络能耗均衡。仿真结果表明,与定向扩散协议相比,该算法能降低实时业务的端对端延时,并使网络生存期得到提高。     

一种支持DiffServ模型的全分布式调度算法

调度算法设计对于网络路由设备实现区分服务(DiffServ)模型的单跳行为(per hop behavior,简称PHB)至关重要.现有支持DiffServ模型的调度算法普遍基于输出排队(output queued,简称OQ)或是输入排队(input queued,简称IQ)交换结构进行设计,均无法在高速环境下提供高性能的调度.基于联合输入/交叉节点排队(combinedinput-crosspoint-queued,简称CICQ)交换结构提出一种支持DiffServ模型的全分布式调度算法DDSS (distributed DiffServ supporting scheduling),并通过理论分析对其公平性进行了验证.DDSS算法采用基于预约带宽的逐级流量控制机制实现所有预约带宽在快速转发(expedited forwarding,简称EF)业务与确保转发(assured forwarding,简称AF)业务之间的分配,采用优先级调度机制为EF业务提供低延迟服务,算法复杂度为O(log N).仿真结果表明,DDSS算法具有良好的时延性能和公平特性,与现有算法相比,能够更好地支持DiffServ模型.     

PaderMAC: Energy-efficient machine to machine communication for cyber-physical systems

Wireless sensor nodes typically switch between sleep and wake periods. This poses a rendezvous problem on message senders and recipients. X-MAC, a state of the art sensor network medium access control (MAC) protocol, solves this problem by sending a strobe of short preambles from the message sender until the message recipient wakes up. Upon wake-up, the recipient receives the next strobe, signals the message sender that it is ready to receive, and the message transmission can take place. In sink oriented communication, geographic greedy routing, and link reversal routing, a forwarding node may have more than one potential next hop forwarding node. X-MAC does not support such opportunistic communication patterns. Instead it requires the sender to name the recipient explicitly. However, preamble length can be saved when message transmission starts as soon as the first one of the set of potential next hop nodes is waken up by a preamble. This requires PaderMAC, a new MAC protocol, where the decision on the next hop node is shifted from the sender to the receiver. This work specifies the PaderMAC protocol, explains the implementation of that protocol using TinyOS and the MAC layer architecture (MLA), describes a contribution to the MLA which is useful also for other MAC layer implementations, and presents the results of a testbed and theoretical performance study. The testbed study compares PaderMAC in conjunction with opportunistic routing to X-MAC in conjunction with path-based routing and shows how PaderMAC reduces the preamble length, better balances the load and further improves the end-to-end latency within the network.