面向WSNs数据流的快速网络编码技术研究

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近年来,随着技术的进步和制造成本的降低使得无线传感器网络(WSNs,Wireless Sensor Networks)领域得到了长足的发展。WSNs利用传感器节点的易部署性和多功能性,被广泛应用到各种领域,如工业制造、智能家电、智慧农业、医疗卫生、灾害救援等。在此过程中传感器节点的主要任务是收集、保存数据,并将数据传输汇聚。而进一步的数据分析操作通常是在数据中心完成,并通过网络将数据的分析结果反馈给用户。传感器数据的爆炸性增长和无线链路的不可靠性给设计高效的通信、存储机制带来了巨大的挑战,并且随着物联网及其上层的大数据应用的普及,对WSNs数据的可靠、低时延传输等方面需求亦更加迫切。可靠快速的数据交付一直是WSNs的一个重要设计目标,为了应对WSNs的复杂工作环境以及WSNs数据收集后的容灾处理,研究人员们将各种编码方法应用在了数据传输和冗余存储中。但是,这些编解码带来的额外工作开销又会为数据的快速交付带来挑战。并且在目前的大部分基于WSNs的数据交付中,数据传输和冗余存储被作为两个单独的模块进行研究,使得无线传感器数据从收集、传输到分析的过程中存在多次编码和两次解码,这导致了大量的计算资源浪费以及数据交付不及时;另一方面,由于WSNs中一些无效数据占用了大量编解码资源,而传统的解码方式又加重了这种影响,使得传统传输架构很难满足实时计算的需要。本文研究无线传感器数据从收集、传输到分析过程中的快速传输模型,并结合网络编码技术,从该快速模型下的编码方法,路由策略与解码方案三个方面展开研究。主要的研究工作和创新点如下:(1)分析了基于编码的无线传感器数据交付过程,并提出了一种基于网络编码的整合传输方案,该方案通过减少传感器数据从收集到分析过程中的编解码次数,使得整个传输过程中计算资源的使用效率得到提高,实验分析所提出方法较经典方法在数据交付时延方面有明显改进。(2)提出了一种快速网络编码方案,首先对随机线性编码矩阵、上三角矩阵编码矩阵以及范德蒙编码矩阵的线性相关性进行了分析,并讨论了上述编码策略的线性相关性与应用范围。通过所设计的权重范德蒙阶梯快速编码策略,可以在确保编码矩阵线性无关并且按照数据包的实时性要求区别编码,这种编码策略可以有效的减少大规模传感器节点操作的时间消耗,也可以避免WSNs中的无效数据占用数据中心的计算资源。在对所提出的快速编码算法与其他编码算法进行对比的实验中证明了该方案的高效性和正确性。(3)研究了基于网络编码的传感器网络快速多径路由方案,针对WSNs和MWSNs分别设计了一种基于网络编码的路由策略:梯度约束泛洪路由算法和基于蚁群的网络编码快速路由,通过在两种环境下的特殊条件来建立快速路由,并通过提高网络编码的编码机会来使数据流在有限次的编码中达到充分混合,提高网络的容灾性,从而达到数据可以快速交付的目的。实验结果证明了本文中提出的两种快速多径路由都有较好的性能表现。(4)提出了面向无线传感器数据在数据中心中的快速并行解码方案,该快速并行解码方案以服务器为基本单位,有效的加快了无线传感器数据从采集到分析的交付速度,并且理论上使得数据中心的解码不再局限于单个服务器端计算能力。实验结果证明了提出的并行解码方案有较好的性能。
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