物联网中面向应急响应的排队机制及QoS保证研究

The development and successful applications of the Internet of Things (IoT) greatly promote information progress of the various fields. As the Internet integrates many heterogeneous networks, such as wireless sensor networks (WSNs), wireless network (Wi-Fi), mobile comunication networks (3G/4G/LTE) and wireless mesh networks(WMNs), the scale of IoT further increases, which makes heavy load for transmission of huge amounts of data. Therefore, many events need to stay in the queue and wait to be processed. Also the heterogeneous networks are blocked and the system's response performance to emergency situations is reduced a lot. Researches based on queuing networks play important roles in improving IoT's Quality of Service (QoS) and ability to response emergencies. In order to adapt requirements of large amount data aggregation in IoT, this project focuses on the scheduling strategy of high performance embedded multi-core sink node, and analyze the queuing strategy to make the load balanced of each core. As for the sensor nodes in the IoT, in order to avoid congestion spreading, we use modeling approach in complex network to process high-speed queries and rapid transmissions. For basic carriers in heterogeneous network and queuing events in the Internet, we use queuing network with priority to allocate priority dynamically, and we study the relationship among the length and time delay of event queues,and the network's serving performance in heterogeneous networks.

物联网技术的发展与成功应用，极大的推动了各个领域信息化的进程。由于无线传感器网络、无线Wi-Fi网络、移动通信网络3G/4G/LTE及无线Mesh网络等异构网络单元融入互联网，使物联网的规模进一步增大，海量数据的产生也给物联网带来了巨大的负载。导致大量的事件产生排队现象，使网络产生拥塞并漫延，系统应急响应能力急剧下降。因此以排队网络为基础，研究物联网中改善服务质量(QoS)的关键因素，对提高物联网中的应急响应速度具有重要的意义。本项目针对物联网中大批量数据汇聚要求，研究高性能嵌入式多核汇聚节点调度策略，分析任务排队机制，使多核达到负载均衡。在大规模物联网感知节点中，利用复杂网络建模方法解决高速命令查询与快速传递，避免拥塞漫延。针对异构网络单元中的基本载体与互联网中的排队事件，利用带优先级的排队网络解决优先级动态分配问题；并对不同类网络中的事件排队队长，时延和最佳服务性能之间的关系进行研究。

物联网技术包括无线传感器网络、无线Wi-Fi网络、移动通信网络3G/4G/LTE及无线Mesh网络等异构网络单元。本项目基于物联网技术应用背景，重点研究提高物联网应急响应速度的关键问题，主要包括高性能嵌入式汇聚节点优先级排队调度策略、改善大规模感知节点传输的路径时延和针对物联网中大规模的异构网络单元的复杂网络建模问题。.(1)基于FPGA设计高性能多核嵌入式物联网汇聚节点，采用多核设计，代替传统的单核汇聚节点，提高物联网中汇聚节点的处理能力。在汇聚节点内部采用排队网络调度策略，设计多种缓存机制，提高数据收集效率与应急响应。.(2)针对大规模分布式无线传感器网络，基于无标度网络中的优先连接思想，提出了基于复杂网络的贪婪的小世界模型(Greedy Model with Small World, GMSW)，并实现了两种捷径添加算法：基于节点重要性和方向角的捷径算法(Shortcut Algorithm based on Importance and Directed-Angulation, SAID)和基于节点局部重要度的捷径算法(Shortcut Algorithm based on Local Importance, SALI)。实验结果表明，GMSW可以提供更好的网络QoS不管是遭遇随机故障还是蓄意攻击，这体现了网络结构的面对应急响应的稳定性。.(3)针对物联网中的大规模的移动网络，要想提升物联网的应急响应联动效率，时间同步和高效的自组织是大规模感知网络的实施至联动机制的重要研究点。在本项目提出了一种基于自组织生成树的节能时间同步算法（STETS），它有效地结合了两个时间同步方案：SRP协议和RRP协议。它降低了通信费用，同时仍保持较高的精度。实验结果表明，该方法在高效自组织能量消耗和时间同步精度方面找到最佳折中点。这个研究点对于保证大规模物联网节点的实时性具有重要的意义。.综上所述，本项目严格执行了项目申请书的研究内容，取得了显著的效果，确保在大规模的异构网络中的远程应急响应的服务质量，解决了大规模物联网技术中的应急响应的关键问题。