基于被动探针的无线传感网链路质量感知理论与技术研究

As an effective approach to connect the logical information world and the phisical world, wireless sensor networks are widely applied in the areas of agricultural and industrial control, environment monitoring, biomedical research and so on. As a result of working in a hostile deployment environment, wireless links perform unreliably. Link quality sensing plays a critical role in network diagnosis. Some potential network bottlenecks such as network partition and routing errors can be detected by link scan. A wireless link itself virtually exists, which means the network managers can't directly observe and assess whether it performs well or not. Traditional approaches utilize proactive probes to traverse the problematic areas in the network, then assess link quality according to the response of probes. They cost a lot of network resources, being limited by the network topologies and in-network procotols. This study aims to provide an passive-probe based approach for sensing the link quality in the whole network. The proposed approach should be able to adapt any network configuration, including deployment topology and in-network protocols. It is supposed to be evaluated in a real large-scale deployment system. This study brings forth new ideas for the application of link quality sensing, and offers the theoretical and technogical support for network diagnosis and management for wireless sensor networks.

无线传感器网络是连接信息世界和真实物理世界的有效手段，被广泛应用在工农业控制，环境监测以及生物医疗等领域。在恶劣的部署条件中，受周围环境的影响，无线链路质量极其不稳定。链路的质量下降不仅会导致网路协议的低效，还会造成网络分割等重大网络故障。另外，无线链路是虚拟存在的，网络管理员无法直观地测试链路质量。链路质量感知对于长期维护无线自组织传感器网络等多跳网络是非常必须的。传统的无线链路质量感知都是通过观察主动探针包的接受率来完成，这种方式不仅受限于网络特性和拓扑假设，同时会消耗大量的网络资源，影响系统应用的性能。本项目结合无线传感网资源受限的特性，通过研究网管程序与应用程序之间的资源耦合性，着手基于被动探针的，且通用于任何网络拓扑和路由协议的链路质量感知系统，可以极大的降低检测成本，避免检测过程对网络性能造成影响。所提出的全网链路质量感知算法机制将在大规模实际系统中进行验证。

在大规模无线传感自组网的应用中，稳定的数据传输是必不可少的。不同于有线链路，无线链路容易受到外界干扰，且其虚拟性使得检测管理难度增加。项目组以大规模无线传感器网络的应用需求为依托，以组网协议优化、资源管理、故障诊断等系列问题为研究主线，以关键链路/点轻量级诊断为研究重点，以促进和加速大规模无线传感网络应用为目标，开展了各类网络诊断研究，并结合实际城市碳汇碳排放测量和环境质量监控系统CitySee进行了一系列的实验测试。在项目期间，我们不断的优化无线传感网络管理系统TinyD2，并在CitySee中进行部署应用，管理节点数目突破1000，单子网管理节点数目超过500。TinyD2可以让网络管理人员正确的了解网络运行情况，实时的观察每一个节点，每一条链路的健康状态。从网络功能上，TinyD2对每一个数据包进行实时追踪，从而判断现有网络部署是否能够保证采集所有节点的数据包。..基于CitySee系统，项目组对链路质量、关键点依赖关系、网络数据流时空特征等进行了长期、细致和深入的观测和解析，同时保证稳定的数据回收率。团队已经成功将系统经验应用于新疆克拉玛依油田的视频监控网络项目、上海公安三所无线自组网视频监控项目、威海森林防火视频监控项目和伊拉克哈法亚油田无线视频监控等实际项目。..在跟进传感网应用和技术发展最前沿动态的基础上，项目研究团队将研究的主要内容明确为以下五个方面，即1）研究网络管理与应用服务的耦合性；2）研究轻量可优化的链路检测模型；3）研究基于路由依赖性的关键节点检索策略；4）研究诊断过程中的节点隐私泄露问题；5）建设通用无线传感器网络的链路诊断工具。本项目围绕上述科学问题，分别展开研究并取得了一系列有代表性的研究成果，发表在国内外主流学术会议和期刊上，形成了较为突出的科研影响力，为物联网进一步向前发展作出了积极贡献。