无线传感器网络软件技术研究

无线传感器网络是由大量资源有限的计算设备通过无线方式构成的自组织网络,具有与环境紧密交互的能力,具有广阔的应用前景,是信息科学领域一个重要的研究热点。分析了传感器网络的特点,总结了当前传感器网络软件技术发展现状,并分析了软件设计及应用开发所面临的主要问题和挑战,最后对基于中间件的传感器网络软件体系结构进行了分析研究。

无线Mesh网QoS研究

无线Mesh网由于无线链路自身的不稳定性以及多跳传输带来的隐藏/暴露终端等问题,使得提供QoS保障带来更大挑战.对Mesh网各协议层为支持QoS所做的研究进行归纳,总结分析了已有的支持Mesh网QoS的跨层设计方案.指出了无线Mesh网络提供QoS保障的进一步研究方向.

深度学习技术辅助诊断结直肠息肉的临床分析

背景:基于深度学习技术的计算机辅助诊断已成为胃肠病学领域的研究热点,计算机辅助诊断结直肠息肉已引起越来越多的关注。目的:验证一个自动识别结直肠息肉的深度学习模型,分析该模型对新手内镜医师的辅助学习功能。方法:回顾性收集2019年1月—2020年1月青岛市市立医院东院内镜中心数据库中的结肠镜图像共1200张,其中结直肠息肉图像600张,正常结肠图像600张。以深度学习技术模型对1200张内镜图像进行验证,并比较该模型与5名新手内镜医师诊断结直肠息肉的敏感性、特异性、准确率、时间。结果:深度学习模型诊断结直肠息肉的敏感性为93.2%,特异性为98.7%,准确率为95.9%,每张图像的诊断时间为(0.20±0.03)s,模型的敏感性、准确率、诊断时间优于5名新手内镜医师,特异性优于部分新手内镜医师。当息肉≤5 mm或6~9 mm时,模型的准确率分别为88.1%、96.8%,优于5名新手内镜医师;当息肉≥10 mm时,模型的准确率为100%,与5名新手内镜医师无明显差异。模型识别隆起型息肉的准确率为94.8%,优于部分新手内镜医师;模型识别扁平型息肉的准确率为91.7%,优于5名新手内镜医师。扁平型息肉未能识别(38.8%)、黏膜皱襞处息肉(32.7%)、误认黏膜皱襞为息肉(12.2%)为模型假阴性或假阳性的主要原因。结论:深度学习模型对结直肠息肉的辅助诊断有较高的准确率、敏感性、特异性,且诊断时间较短,可辅助新手内镜医师识别小息肉和扁平型息肉。

基于ESMF的POP海洋模式组件化设计与并行方法研究

针对目前海洋模式开发存在的移植、更新和相同功能代码重用困难的问题，对海洋模式的功能分解及组件化封装进行了研究，设计了一套基于地球系统建模框架（ESMF）的组件化与并行化方法，并将其应用在并行海洋模式POP上，构建了一种新的组件化海洋模式。对新模式的测试结果表明，上述方法能在保证模式正确性的基础上实现模式的可复用性与可维护性，并且能在一定程度上提高模式的运行效率。

一种能量高效的无线传感器网络等值线监测技术

针对无线传感器网络环境监测应用中的能量受限问题,提出一种基于Bezier曲线的无线传感器网络等值线监测方法——SENS-T.利用等值线来表示环境监测值的分布信息,即将等值线划分为若干Bezier曲线段,每条曲线段的信息由一个代表节点负责传回汇聚中心,汇聚中心再根据网络节点坐标与接收的曲线信息进行等值线还原.汇聚节点的数量由划分的Bezier曲线段的段数决定,从而改良了传统方法中等值线上所有节点都要进行汇聚的做法.仿真表明,SENS-T可有效节省网络能量和带宽,与传统等值线监测方案相比,在达到相同等值线绘制精度的同时,可节省约45%的网络能量.

STS:跨域安全令牌交换机制的研究和实现

由于分布式环境下的网格应用程序往往要跨域访问资源,如何构建统一的跨域安全令牌交换机制就成了网格应用中需解决的一个重要的问题。针对此问题,提出了一个可以进行跨域安全令牌交换的框架,此框架由认证中心和个体安全域组成,单个安全域的用户可以通过认证中心来获取不同安全域的安全令牌。从而为跨域安全令牌的交换提出了一种解决方法,最后框架在欧中网格合作项目(Bridge项目)中进行验证。

一种相邻节点协作的无线传感器网络可靠传输方案

针对无线传感器网络中不可靠的通信链路引发传输效率下降的问题,提出了一种基于相邻节点协作的无线传感器网络可靠传输方案(NNCS).该方案利用无线信道的广播特性,通过选择成功监听到数据传输的相邻节点来承担协作传输任务(重传或转发),以降低重传次数,提高传输效率.在方案中,相关节点根据自身传输能力发送数据应答以竞争协作机会,同时通过信道监听避免发生竞争冲突.实验结果表明,较之传统重传方案,NNCS能够以更少的传输消耗达到更高的传输成功率,并有效降低了端到端的传输时延.

传感器网络基于邻居信息量化的能量平衡路由

针对地理位置路由中数据包的平均传输能耗随时间推移急剧增加的问题,设计并实现了一种基于两跳邻居信息量化的能量平衡路由协议(TNEB).节点通过Hello报文获得两跳范围内的邻居节点信息,TNEB根据两跳邻居信息确定一个贪婪转发候选节点集合.依据邻居节点的数据流拥塞度和能量平衡度,从候选节点集合中选择最佳的邻居节点完成数据包的转发.测试结果表明,在平均邻居节点数为15的网络拓扑上,TNEB算法的平均能耗比Greedy-2和GPSR算法分别降低了26.7%和48.8%,端到端延迟分别减少了19.9%和31.8%.

可分级视频编码覆盖网非一致性随机成员构建算法

为了解决采用一致性随机成员算法进行节点管理而导致覆盖网(overlay)系统不具备QoS感知能力的问题,设计并实现了一种应用非一致性随机成员算法的overlay构建协议.在协议框架中,构成overlay的节点选择某一节点为邻居节点的概率与该节点的输出带宽成正比,这样在传输可伸缩编码视频(SVC)数据时,可避免出现上游节点丢弃部分媒体数据而降低下游节点接收质量的情况.测试结果表明,与一致性随机成员算法及多树算法相比,所提协议构建的overlay可以更加有效地支持SVC数据的传输.

无线传感器网络地理位置路由度量方法

为了解决在非理想链路上采用传统贪婪度量的地理位置路由协议引发数据包投递率下降的问题,设计并实现了一种基于链路质量的地理位置路由度量方法(SRAB).通过周期性监听邻居节点发送的数据包,依据其中的链路层序列号估算出相应的链路质量,得到数据包在该链路上传输时所花费的代价.根据节点的地理位置信息,分别计算出当前节点和邻居节点与目的节点间的欧式距离,进一步得到邻居节点将数据包向目的节点推进的程度.在采用blacklist机制将链路质量小于规定阈值的邻居节点过滤后,SRAB将单位代价下向目的节点推进程度最大的邻居节点选为下一跳节点.测试结果表明,与非理想链路上的传统贪婪度量法相比,SRAB的成功投递率提高了22%,传输能耗减少了12%.

分簇无线传感器网络可靠高效的数据传输方案

根据当前传感器节点的通信能力,提出了一种面向大规模无线传感器网络的数据传输方案(REDD).在方案中,节点间通过周期性的动态竞争产生簇首,形成分簇网络结构.簇内通信采用时分多路访问调度方式,成员节点在簇首分配的时隙内经由独立的簇内通信信道将监测数据发送至簇首.簇间通信采用载波侦听多路访问竞争方式,簇首间形成的连通覆盖网络通过多跳转发方式将聚合后的数据发送至网关.实验结果表明,较之已有的研究,REDD方案能够以更少的消耗达到更优的分簇性能,并且在保证可靠传输的同时有效降低传输时延.

面向分簇无线传感器网络的两层动态地址分配协议

针对分簇无线传感器网络提出了一种新的两层动态地址分配（TTDA）协议。TT—DA采用两级地址分配方式，即基站为簇头分配地址，簇头为簇成员分配地址。基站为簇头分配地址时，采用Huffman编码，使得离基站更远的簇头获取更短的地址，从而节省地址传输能耗。地址分配基于租约，只在一段时间内有效，因此节点失效后可以回收其地址。TTDA采取地址预留和即时地址分配等手段，以及时为新补充节点分配有效地址。TTDA地址具有灵活的形式，可以同时适应MAC协议和网络层的地址需求。数学分析和仿真实验表明，TTDA算法在地址分配的控制信息开销、节能、地址分配成功率、为新补充节点分配地址等关键性能指标上比现有算法表现更好。

一种按需多径的无线传感器网络簇头路由协议

针对分簇无线传感器网络中簇头之间通信联通难以保证，由簇头构成的多跳网络拓扑频繁变化的特点，提出了一种按需多径的簇头路由（OMCHR）协议。对比现有按需路由协议，其创新之处在于：（1）利用层ID限制路由控制消息的广播转发，并控制传输路径的跳数；（2）在路由发现过程中根据需要任命部分成员节点充当路由节点，保证簇头间的通信联通；（3）根据路径的剩余能量、跳数、传输可靠性等因素，采取多径传输方式进行负载均衡。实验表明，采用OMCHR协议，无线传感器网络的传输可靠性至少比现有协议提高30％，网络数据收集的效率至少比现有协议提高3倍左右。

基于贝塞尔曲线的WSN等值线绘制算法

从无线传感器网络(WSN)环境数值监测应用的实际需求出发,提出了一种应用于该类场景中的等值线绘制(CMBC)算法。CMBC算法基于图形学中常用的贝塞尔(Bezier)曲线理论,通过选择部分节点提供信息给网关节点绘制等值线。此方法有效解决了监测应用场景中对最终监测精度的需求与大量报告节点所引发的高流量负载和网络能耗之间的矛盾。仿真结果表明,CMBC算法和已有研究工作相比能够使用更少的汇报节点完成高精度等值线的绘制,因此CMBC算法能够节省节点的能量,延长网络的生存期。

JmoteNet:一种支持可靠程序部署和性能测量的无线传感器网络实验床

针对目前无线传感器网络实验床程序部署可靠性差和缺乏性能测量机制的问题,基于Micaz节点和TinyOS,提出了一种支持对实验对象进行快速部署和现场测量的实验床体系结构.该实验床设计了Micaz的扩展硬件和内置的性能测量模块,实现程序的大规模稳定可靠部署,以及对节点功耗、吞吐量、单向延时、网络拓扑等性能参数的高效可信获取,并支持分布式多点测量和平面、分簇、Multi-Sink,Mesh等多种网络结构.实验床平台采用了软硬件综合设计策略,提高了实验床设施的利用率和实验效率.实验案例证明了其良好的易用性、普适性和可扩展性.

用于无线多跳网络视频流传输的优先级机会网络编码

针对多视频流共享传输链路时存在的编码数据包不匹配问题,提出一种用于无线多跳网络视频流传输的优先级机会网络编码方法。该方法对各传输流中优先等级不同的数据包执行不同的编码操作,在源端对视频流分段进行流内编码,并通过添加冗余增强传输可靠性;在网络中间节点,对优先等级高的数据包进行流内冗余编码,对次优先等级数据包按队列次序与另一视频流进行流间编码,对剩余数据包则直接传输或选择性丢弃。该方法能尽力保证视频流基本层数据被接收,同时一定程度上减少了发送次数,充分利用有限网络带宽资源。实验结果表明,所提方法能够有效地提升视频传输质量,较之已有的机会网络编码方法,接收端视频质量平均值提高了2dB以上。

基于逐步细化快照序列的多核并行程序调试

多核并行程序的调试是一个公认的困难问题,困难主要来自于程序执行的不确定性.可重现调试(replay debug)提供了消除程序中不确定性的能力,但是现有的可重现调试解决方案都无法应用于商用的软硬件平台中,且进行调试所带来的性能损失会随着并发度的增加而超线性地增长.提出了一种基于运行快照的新型并行程序调试方法SDT(snapshot debug tool).该方法以离线的断点设置、运行快照捕捉和运行快照细化为基础,提出了一套可以指导用户由粗到细发现错误的调试过程,并在通用的软硬件平台上进行了实现.实验结果显示,在8线程的并发条件下,使用SDT调试所带来的时间性能损耗平均为51.88%;同时当线程数增长4倍时,使用SDT所带来的额外时间消耗最多增长1倍,具有很好的可扩展性.记录快照的数据量是影响SDT性能的重要挑战,实验证明通过使用增量式的快照记录方式可以有效地降低需要记录的数据量,减少记录快照花费的时间,提高SDT的整体性能.