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無線傳感器發展研究方向概況

發布時間:2017-12-16  發布者:利坤電子

   傳輸調度因其在網絡性能和避免干擾等方面展現出的巨大潛力,正吸引著越來越多學者的關注。研究人員針對無線傳感器網絡的應用需求和新特征進行了大量卓有成效的研究,新的傳輸調度方法層出不窮。但由于各種傳輸調度方法關注的網絡特性、優化的性能指標、采取的技術手段和面向的具體應用各不相同,因而實際效果千差萬別。事實上,無線傳感器網絡的傳輸調度方法研究的趨勢并沒有呈現收斂性,也無法形成標準。究其原因:   先,傳輸調度方法不可避免的受到物理硬件平臺和物理層協議的影響,而目前作為協議棧底層基礎架構的物理層仍缺乏統一的標準;其次,無線傳感器網絡與應用高度相關,應用差異性使得傳輸調度方法無法兼顧所有的網絡特性,只能在多個性能指標之間做出選擇和折中。鑒于無線傳感器網絡對于應用相關的要求(主要為實時性和性)   加嚴格,使得現階段的研究工作在調度建模、約束滿足、調度方法、容限分析、測試和驗證等方面還存在很多需待解決的問題。
   1)調度建模問題
   建模是對實際問題的抽象和簡化,是調度算法設計和分析的基礎。無線傳感器網絡的傳輸調度問題具有復雜動態、多目標、多約束等特點,需要解決考慮多種因素、綜合多種指標的傳輸調度建模問題。而針對目前無線傳感器網絡的應用特點,傳輸調度的約束主要由點到點單跳傳輸間的順序關系、報文截止期、單跳成功率、與位置相關的信道占用以及能量等約束構成;傳輸調度的目標主要由資源利用率、截止期、能耗以及各目標的均衡構成。同時,無線傳感器網絡的應用環境,特別是工業應用環境,存在不確定因素:環境干擾嚴重、溫度變化范圍大(一般從-45℃~80℃);高濕度、高震動以及頻繁移動的人員和設備,使得信道的狀態和容量會隨著時間、位置和頻率而變化;節點加入、離開和失效等導致網絡拓撲結構和路由等也具有動態性。種種因素對傳輸調度的   建模提出了   高的實用性和靈活性要求,增加了調度建模的難度。因此,需要對具有動態適應性、復雜時空約束和多目標的傳輸調度問題進行   建模。
   2)約束滿足問題
   目前無線傳感器網絡對報文截止期和成功傳輸率的要求   加苛刻。在網絡動態性強、信道時空變化頻繁等前提下,如何將端到端的截止期約束和成功傳輸率約束轉化為傳輸調度算法所能處理的單跳約束,是需要下一步解決的問題。而目前的傳輸調度方法對這2個約束考慮較少,致使現有研究成果無法直接應用。
   3)調度方法問題
   大規模網絡、周期性任務等特點,使得問題的求解面臨著組合爆炸問題;大規模、分布式等特點,使得集中式算法無法滿足應用,而分布式局部調度算法又面臨著無法確定性要求和全局   優的困擾。非周期性任務、信道狀態的動態變化、拓撲結構和路由的改變等不確定性因素,對傳輸調度方法提出了   高的自適應要求。現有的集中式傳輸調度方法,存在單點故障問題且開銷較大,而分布式傳輸調度方法于小規模網絡的應用。此外,現有的傳輸調度方法分配方式固定,主要面向周期性任務,而且對網絡的動態性考慮較少。因此,需要研究適用于大規模網絡的、分布式優化的、適應網絡動態性的、和輕型的傳輸調度方法。
   4)容限分析問題
   網絡容量和所需通信資源上下限,是評價傳輸調度算法優劣的關鍵指標。現有的研究主要針對Adhoc網絡以及網狀結構的無線傳感器網絡進行分析,且不考慮底層協議對于網絡容量的影響,從而導致分析結果過于理想。因此,需要研究考慮底層協議,特別是傳輸調度協議下的網絡容量,為后續底層協議的設計和優化提供理論依據。
   5)測試和驗證問題
   無線傳感器網絡在工業中的應用才剛剛起步,現有的研究還主要采用仿真驗證和小規模實驗驗證,缺乏完善的實驗平臺和驗證體系。需要設計和實驗平臺,建立評價體系,以對研究成果進行地驗證。
    綜上所述,面向無線傳感器網絡的傳輸調度問題,是具有明確應用背景和相當研究難度的問題,已有的傳輸調度理論和方法還不能滿足實際問題的需求,尤其是目前對于傳輸調度的研究仍然是一個空白。另一方面,在傳輸調度理論已經取得重要進展的前提下,針對新、發掘新問題,面向實際拓展研究的和廣度,是傳輸調度理論研究的重要方向。

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