是一个新兴的需要实现实时的服务质量(QoS)多次反射无线通信在大规模无线网络。应用程序可以包括宽带互联网接入的无线网格基础设施支持多媒体服务,视觉传感器网络监测、和救灾网络。然而,许多挑战仍然存在近期作品所揭示,在数据流QoS性能如吞吐量和端到端延迟可以降低快速的无线跳。我们建议使用大规模的认知网络的方法解决无线多次反射的挑战。cognitive-networking概念,数据包沿着机会主义式的可用路径在网络可用频谱在每一跳。可靠的端到端通信可以实现实时服务,我们表明,(1)数据流的吞吐量可以独立于任何数量的无线跳,(2)端到端延迟和延迟方差线性增加的无线跳,和(3)延迟方差与更高的网络密度降低到零。这些结果支持的分析、仿真和实验。
<年代p一个ncl一个年代年代="end-abs">
1。介绍
大规模无线网络,例如,移动ad hoc网络,无线网状网络,以及无线传感器网络,已经收到显著的关注在过去的几年里。最近,已经有越来越多的兴趣,实现实时的服务质量(QoS)多次反射无线传输在大规模无线网络。例如,驱动商业应用包括宽带上网(无线网格基础设施<一个href="#B1">1一个>),支持互联网协议语音(VoIP)或IP多媒体和无线传感器网络实时事件检测/报告,尤其是视频监控,即视觉传感器网络(<一个href="#B2">2一个>]。
相比经典的多对一(星形的)网络,如手机网络和无线网络——(IEEE 802.11)<一个href="#B3">3一个>)启用无线局域网络(无线局域网),无线宽带接入的基于网格基础设施有资本和运营成本更低的优势,可以实现更高的服务覆盖。举个例子,市政无线网状网络在一些主要城市推出,为公众提供无线上网和电子邮件服务。考虑网络语音和视频的流行,进一步发展支持在无线网状网络基础设施是高度要求。另一方面,视觉传感器网络似乎是一个杀手级应用无线传感器网络,由于很多大城市已经安装了public-administrated监控摄像头用于各种目的。到目前为止,相机通常连接的电缆。采用无线连接,将会有显著的降低成本的安装,可以使多密集的部署。此外,应用程序还包括救灾相关的无线网络,特设的形成,实时信息传递的生命和死亡的重要性。
然而,许多挑战仍然存在多次反射无线网络实现实时QoS。已经众所周知,数据流吞吐量、端到端延迟和延迟抖动可以降低快速当无线跳数量的增加<一个href="#B5">4一个>,<一个href="#B6">5一个>]。限制可以主要介绍动态网络资源可用性包括光谱带宽和无线节点/收音机。具体来说,随机频谱可用性是基于无线衰落和干扰的无照乐队(例如,ISM波段);和随机无线电可用性是由于动态交通负载(产生)和其他因素,如无线电失败。在传统的无线网络、媒体访问控制(MAC)层设置“逻辑连接链接”通过无线媒体,承担预定的频谱可用性。在网络层之上,运行特设路由协议,承担预定的无线电可用性和网络拓扑结构。很难有效的QoS模型在传统的网络协议栈(<一个href="#B4">6一个>),当两个光谱带宽和无线电可用性不能预定在大规模无线网络。
为了解决无线多次反射限制,有人提议安装多个收音机在一个无线节点(<一个href="#B5">4一个>)和设计网络路由协议基于无线连接状态,以及其他综合指标(<一个href="#B6">5一个>]。尽管证据表明,改进可以获得,这些方法没有解决实时QoS。此外,现有方法可以普遍遭受缺乏可伸缩性。一般来说,现有的协议的复杂性可以用无线节点的数量快速增长相互邻近的(更高的网络密度),因为有大量的链接管理和/或跟踪每一个节点上。其他研究工作,研究实时无线网络QoS可能基于大规模无线网络不恰当的假设,假设固定的链路带宽等(<一个href="#B7">7一个>]。
在本文中,我们应用大规模的认知网络的方法(<一个href="#B8">8一个>解决无线多次反射限制。认知网络的概念,说明利用网络资源包括光谱带宽和无线节点/无线电可用性实现可靠通信在大规模无线网络。网络体系结构是采用嵌入式无线互连(EWI) [<一个href="#B8">8一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -<一个href="#B11">11一个>),重新定义引入无线连接<我>摘要无线链接我>。根据定义,抽象的无线链接可以任意的功能抽象距离无线节点之间的相互合作,在类别包括广播、单播、多播/ anycast,和数据聚合等。因此,<我>无线传输模块我>设计单位为实现不同抽象无线链接个人无线节点。然后EWI发达在两层的架构,在无线链路层底部供应库的无线连接模块;和上面的系统层可以组织模块实现有效的应用程序编程接口(API)。
符合认知网络的概念,操作范围和抽象主义式的无线链接的参与节点决定基于瞬时可用性。通过单播模块设计认知网络,数据包可以说明网络中可用的路径从源到目的地,伺机与可用频谱在每一跳。相比之下,在频谱动态变化和广播可用性可以创建瓶颈在传统无线网络的路由路径,这样的瓶颈都提出了解决的方法。因此,可以实现可靠的端到端通信,通过的机会利用网络资源。提出了单播模块设计也是由认知无线电实现原型(<一个href="#B12">12一个>]。在性能分析,实时QoS指标包括吞吐量、端到端延迟,延迟方差,进行了研究。得到了以下命题。
<年代p一个ncl一个年代s="list">(我)年代p一个n><年代p一个ncl一个年代s="list-content">所有的调查实时QoS指标改善网络规模较大,在各个节点保持不变和复杂性独立于任何网络规模。它也表明,动力学性能,所显示的端到端延迟方差,可以用更高的网络密度降低到零。年代p一个n>年代p一个n>(2)年代p一个n><年代p一个ncl一个年代s="list-content">可靠的通信可以实现大量的无线跳。原则上,吞吐量可以独立于source-to-destination距离;当预期的端到端延迟,延迟方差,提高线性source-to-destination距离。年代p一个n>年代p一个n>(3)年代p一个n><年代p一个ncl一个年代s="list-content">考虑资源约束,如能源消耗或网络容量,我们确定无线电传输功率能有效的控制旋钮流量优先级处理实现QoS性能和资源消耗之间的权衡。年代p一个n>年代p一个n>
因此,本文的两个主要贡献如下:(1)第一个设计与实施大规模的无线网络的实时通信;(2)设计实时单播的QoS性能分析模块。接下来,相关作品调查部分<一个href="#sec2">2一个>;单播无线连接模块的设计和实现部分中描述<一个href="#sec3">3一个>;实时QoS的性能分析指标提出了部分<一个href="#sec4">4一个>;仿真和实验结果报道在部分<一个href="#sec5">5一个>和<一个href="#sec6">6一个>分别;结论部分给出<一个href="#sec7">7一个>。
2。相关工作
在认知网络和工作EWI网络体系结构相关的以前出现在[<一个href="#B1">1一个>,<一个href="#B8">8一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -<一个href="#B12">12一个>]。作为一个飞行员架构参考模型,EWI首次介绍了无线传感器网络(特定于应用程序的研究<一个href="#B10">10一个>,<一个href="#B11">11一个>]。在[<一个href="#B9">9一个>),最近的研究在无线传感器网络的跨层设计工作调查,建议EWI可以是一个统一的设计架构。大规模的认知无线网络的概念,提出了在<一个href="#B8">8一个>),采用EWI网络体系结构。在[<一个href="#B1">1一个>,<一个href="#B12">12一个>),EWI进一步用来构造一个无处不在的宽带互联网接入的无线网格基础设施。
单播的设计也可以与现有研究工作机会主义路由(<一个href="#B13">13一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -<一个href="#B17">17一个>]。原则上,机会主义路由方案处理路由和MAC协议的合作设计。然而,先前的研究工作通常处理单跳的性能指标,而本文的贡献处理端到端QoS的实时通信。此外,贡献是在大规模的认知网络,与实验结果的报告。
在[<一个href="#B13">13一个>),协议选择下一跳中继节点有槽ACK(承认)机制。成功收到数据包后,节点计算一个优先级,这是节点之间的距离成反比,数据包的目的地。最高优先级的节点是然后选择分配地作为下一跳中继节点。在[<一个href="#B14">14一个>,<一个href="#B15">15一个>),一个叫GeRaF的技术,提出了节点的转发区域与不同优先级分为小的部分,决定的运输距离。GeRaF包括单跳的性能分析能源消耗和延迟的权衡,以及多次反射统计数字。这项研究在<一个href="#B16">16一个>)调查了建筑方面的机会主义路由,组件设计的性能分析是基于单跳指标和稀少的行人车辆的场景。在[<一个href="#B17">17一个>),作者讨论了两跳传输机会中继节点选择一个场景。转发节点的优先级标准是基于source-to-relay通道的增益和relay-to-destination频道。
3所示。模块设计与实现
单播无线连接是一个抽象的近距离无线节点合作单播。自单播通常涉及交付从源到目的地的信息在多个啤酒花,单播模块设计将端到端网络行为到邻近的无线节点合作。在下面,一些元素模块的设计和实现。然后显示模块状态图。
3.1。网络地址
网络地址与上下文相关,受“成本交货”标准。让<年代vg height="10.75" id="M1" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和<年代vg height="7.1875" id="M2" style="vertical-align:-0.13794pt;width:7px;" version="1.1" viewbox="0 0 7 7.1875" width="7" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
表示源节点和目的节点的网络地址,分别。考虑到目的地<年代vg height="10.75" id="M3" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
在一个无线节点的数据包<年代vg height="7.1374998" id="M4" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,当地的一个参数<年代vg height="12.4625" id="M5" style="vertical-align:-4.37273pt;width:21.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.887501 12.4625" width="21.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
假设能得到的,这表明近似或交付数据包的平均成本从节点到目标<年代vg height="7.1374998" id="M6" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
独立的动态变化。在大规模无线网络的成本交付<年代vg height="12.4625" id="M7" style="vertical-align:-4.37273pt;width:21.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.887501 12.4625" width="21.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
通常是一个函数从一个本地节点的距离<年代vg height="7.1374998" id="M8" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
到目的地<年代vg height="10.75" id="M9" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。
在弹性网络(例如,<一个href="#B10">10一个>]),无线节点知道自己的位置,例如,通过全球定位系统(GPS)或三角估计,一个节点的网络地址<年代vg height="7.1374998" id="M10" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
是完全由节点决定的<年代vg height="7.1374998" id="M11" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
位置坐标<年代vg height="14.6875" id="M12" style="vertical-align:-3.20526pt;width:16.612499px;" version="1.1" viewbox="0 0 16.612499 14.6875" width="16.612499" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。考虑到目标坐标<年代vg height="14.725" id="M13" style="vertical-align:-3.24037pt;width:17.65px;" version="1.1" viewbox="0 0 17.65 14.725" width="17.65" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
一个包,<年代vg height="16.137501" id="M14" style="vertical-align:-4.37273pt;width:99.1875px;" version="1.1" viewbox="0 0 99.1875 16.137501" width="99.1875" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
=
|
−
|
很容易在几何计算,定义为特定的距离。
在以数据为中心的网络(例如,<一个href="#B19">18一个>网络地址]),可以由应用程序特定的数据决定。交付的成本<年代vg height="12.4625" id="M15" style="vertical-align:-4.37273pt;width:21.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.887501 12.4625" width="21.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
是应用程序数据梯度,可以假定为单调递增函数之间的距离<年代vg height="7.1374998" id="M16" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
和<年代vg height="10.75" id="M17" style="vertical-align:-0.15048pt;width:9.375px;" version="1.1" viewbox="0 0 9.375 10.75" width="9.375" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。
在收集或融合网络,例如,无线传感器网络,水槽(数据收集器)的身份可以播放很多广告包,上头淹没在网络广播。每个节点可以计算平均最小数量的啤酒花的水槽,收到广告包。计数可以作为数量<年代vg height="12.4625" id="M18" style="vertical-align:-4.37273pt;width:21.887501px;" version="1.1" viewbox="0 0 21.887501 12.4625" width="21.887501" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
,
对于一个节点<年代vg height="7.1374998" id="M19" style="vertical-align:-0.10033pt;width:7.8874998px;" version="1.1" viewbox="0 0 7.8874998 7.1374998" width="7.8874998" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg">
。类似的方法出现在[<一个href="#B20">19一个>)然而,在更一般的情况下,逻辑地址,也就是说,一个向量的估计距离或跳数一群锚,维护每一个无线节点。新节点加入网络可以估计自己的逻辑地址通过收购相邻节点的地址。
虽然可以适用于其他类型的地址,我们在本文中使用的位置地址进行分析、仿真和实验。
3.2。广播的实现
认知无线电的术语首次提出是在(<一个href="#B21">20.一个>)作为一个ideal-omnipotent电台可以考虑所有参数以用户为中心的通信。认知无线电后来了(<一个href="#B18">21一个>,<一个href="#B22">22一个>]随着收音机动态频谱接入。在[<一个href="#B8">8一个>),两个命题进一步提出认知无线电的大规模无线网络。
<年代p一个ncl一个年代s="list">(我)年代p一个n><年代p一个ncl一个年代s="list-content">无线电频谱资源的意义,所以选择的频谱使用不会干扰其他正在进行的无线通信。年代p一个n>年代p一个n>(2)年代p一个n><年代p一个ncl一个年代s="list-content">收音机可以伺机调查一个或多个其他邻近收音机到选定的频谱,从而实现某些类型的本地合作。年代p一个n>年代p一个n>
上面的两个命题可以扩展纯认知无线认知网络的概念,实现动态频谱接入和动态无线访问。在网络架构EWI无线节点可以启动一个抽象的无线连接,也就是说,某些类型的本地合作中近距离无线节点的数量。因此,无线节点的设置和操作频谱机会决定一个抽象的无线连接。进一步发起的链接将不会干扰其他无线通讯,依照第一认知命题。
摘要的试验台发展我们原型实验tone-based认知无线电(<一个href="#B8">8一个>,<一个href="#B12">12一个>]。具体来说,收音机可以访问一组预先确定的数据通道,每一个数据通道在哪里还与两个独特的音调频率有关,也就是说,一个传感语气和一个轮询的基调。传感和轮询色调独特的频率不同的数据通道。因此无线电硬件组成的两个接收器,语气收发器和数据收发器,分别。在启动一个抽象的无线连接,可用频道的收音机的感官,空数据通道和空传感/轮询音调。然后广播轮询语气所选通道有关,调查其周围的节点。检测轮询的前沿语气,周围的节点可以决定加入发起文摘根据他们的自治无线连接的可用性。在加入一个抽象的无线连接,周围的节点还电台传感基调。因此,传感和轮询音调从光谱干扰无线连接保护模块。我们注意到的使用频率(繁忙)音调也出现在了众多作品的MAC协议(<一个href="#B23">23一个>,<一个href="#B24">24一个>]。然而,这里我们有第一次实现在多个渠道,这样的上下文中实现大规模的认知无线网络。
单播无线连接模块编程在认知无线电原型(如图<一个href="//www.newsama.com/journals/ijdmb/2008/586067/fig1/" target="_blank">1一个>)。实验的硬件是一堆两个TELOSB无线电委员会(传感器(<一个href="#B25">25一个>])。内部的无线电委员会由IEEE 802.15.4(提供服务<一个href="#B26">26一个>兼容的收发器,Chipcon CC2420, TI的MSP430单片机,和程序接口。无线电板顶部收发器是利用了基调,而底部无线电板是利用数据收发器。这两个连接数字接口如图<一个href="//www.newsama.com/journals/ijdmb/2008/586067/fig1/" target="_blank">1一个>。在2.4 GHz乐队三个独立的数据通道分配广播平台,而相关的音调也在2.4 GHz的乐队。单播模块固件TI的MSP430的程序。