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计算机学报 2016年第05期杂志 文档列表

计算机学报杂志物联网、车联网与信息物理系统

面向服务的物联网软件体系结构设计与模型检测853-871

摘要：物联网软件体系结构用于定义物联网应用系统的构件模型和交互拓扑,是构建支持水平互联、异构集成、资源共享和动态维护的物联网应用系统的基础.面向服务的软件体系结构（Service Oriented Architecture,SOA）是目前构建各类物联网应用系统最常用的风格,国内外研究人员已经提出了多种面向服务以＂物端＂为中心的物联网软件体系结构参考模型.该文对这些参考模型进行了比较分析,指出了它们基于的软件构件类型、采用的设计原则及具有的结构属性的不同,说明了这些参考模型适用于指导不同规模和不同应用需求的物联网应用系统的构建,并且分析了基于软件体系结构的物联网应用系统的形式化建模与模型检测方法.最后,指出了未来为建立基于软件体系结构的物联网应用系统开发方法还需要开展的研究工作.

面向双层传感网的隐私保护k-NN查询处理协议872-892

摘要：无线传感器网络作为物联网感知层的核心组成部分,具有广阔的应用前景.然而,隐私泄露问题严重阻碍了传感器网络的发展.目前,传感器网络隐私保护技术已成为研究热点,其中隐私保护κ-NN（κ-Nearest Neighbor）查询协议是富有挑战性的问题.文中提出了面向双层传感器网络的高效的隐私保护κ-NN查询协议.首先,为提升查询效率,基于定向存储策略给出了适用于双层传感网的κ-NN查询架构.其次,针对管理节点俘获攻击,提出了一种新颖的隐私保护数据编码机制,通过为真实数据附加编码的方式,保证在不泄露数据隐私的同时精确地完成查询处理.再次,针对节点共谋攻击,设计了基于节点的单向数据隐藏机制,通过破坏普通节点与管理节点间数据的关联性实现抵御共谋攻击的目标.理论分析和仿真实验验证了协议的安全性和有效性.

一种基于平均场的无线自组织网络时钟同步方法893-904

摘要：时钟同步是无线自组织网络的一项重要支撑技术,是协议运行、节能管理、数据融合和协同工作的必要前提.文中首先给出了无线自组织网络中节点之间时钟偏差的特性分析,并设计了卡尔曼滤波器,用于精确地估计邻居节点之间的时钟偏差.然后提出了一种基于平均场的全分布式多跳时钟同步方法.该方法不维护特殊节点,基于平均场理论,通过节点之间的共同作用建立虚拟时钟基准;将节点之间的时钟偏差映射为团势能,在此基础上建立了基于伊辛模型能量函数描述的全网时钟同步平均场模型;最后,采用并行能量最小化的方法实现全网时钟分布式同步.仿真结果表明所提出的解决方案可以实现高精度的全局时钟同步,并且具有低开销、快速收敛、健壮、可扩展的特点.

异构无线网络中Relay节点部署算法905-918

摘要：目前越来越多的无线网络技术涌现出来,如ZigBee技术、多频段的Mesh网技术、IEEE 802.16j技术等,上述无线网络有效的前提是要依靠于网络的连通.而事实上由于多种因素,如随机部署、意外损坏、能量耗尽等,导致无线网络的不连通是非常常见的,通常可以通过新加入一定数量的relay节点从而实现网络的连通.现有的relay节点部署研究都是基于被加入relay节点的网络本身是同构这一假设,事实上异构网络情况是非常常见的,所以该文致力于研究在异构传感器网络中部署relay节点问题,该问题可以被证明为NP-Hard.该文首先推导了以前工作中所提出用于同构网络的relay节点部署算法应用在异构网络中所能达到的近似比,提出了两种分别基于权重图增量和基于迭代权重图增量的relay节点部署算法,并推导出这两种算法的近似比为10,最后通过实验给出以上3种部署算法在网络中不同低能力节点数量、不同高能力节点通讯半径和不同高能力节点数量情况下的使用效果,验证了该文算法效果.

一种基于协助下载方法的车联网选车策略919-930

摘要：车联网协助下载方法是解决Wi-Fi接入方式应用在车联网领域中覆盖范围有限问题的有效手段之一,该文针对高速公路车联网多任务协助下载过程中盲区时空资源利用率低、下载服务不均衡的问题,提出了一种近似全局最优的车联网协助下载选车策略——DSMov.DSMov使用二维矩阵定义盲区时空资源和选车行为,利用马尔可夫决策过程对盲区时空资源分配问题进行求解,并且利用车联网通信特点简化选车行为空间以减少计算复杂度;同时,DSMov提出利用到均衡服务的欧几里得距离和曼哈顿距离作为选车依据,从而使得目标车在享有均衡协助下载服务的前提下,有效地提高用户数据下载总量.实验结果表明在用户享有较均衡下载的情况下,数据下载总量提高20%以上.

无线移动多信道感知网络上的数据聚集传输规划931-945

摘要：智能交通系统上的实时导航、交通监控、安全保障等应用需要实时地收集大量的交通流量、车辆位置以及道路通行时间等信息.车上很多传感器（如GPS）可以实时采集这些数据,而由车及路边设备构成的车联网可以实时地传输这些数据.面对大量感知数据的实时传输,无线通信能力远远不能满足传输需求,而车移动导致的链路变化又使得无线信道资源很难被高效利用.该文综合了3个方面内容来解决这一问题：考虑基于802.11p的多信道数据传输提高无线传输能力;利用数据聚集降低数据传输量;利用网络动态变化结构规划高效的传输.该文提出的数据聚集规划包括两个步骤：首先是构建一棵带信道个数约束的优化聚集路由树.基本思想是通过选择连通时刻较多的链路作为树边优化传输时刻可规划的空间.同时建树时需要满足干扰半径内的树间冲突数量不大于信道数量,实现多信道无冲突并行传输;然后规划优化的传输时刻.其核心是在避免树内冲突的前提下利用有限的无线网络资源将尽可能多的数据聚集到AP节点.该文给出了一个动态规划算法实现了最优传输规划.该文在真实轨迹数据集和模拟轨迹数据集上进行了大量的对比实验.结果表明该文的方法在数据收集率上比现有算法提高了近1/4,同时也减少了数据平均收集延迟.

一种基于选择框的有向κ-栅栏构建算法946-960

摘要：κ-栅栏覆盖是有向传感器网络的研究热点之一.该文提出了一种含有最少节点的有向强栅栏覆盖模型（MDNSB）.在这个强栅栏模型中,感知角度不管是小于60°还是大于等于60°,有向节点的最大感知距离都在栅栏方向.在此基础上,提出一种基于有向节点选择框的有向强κ-栅栏覆盖构建算法（DSBCSB）,以节点目标位置为基准构建有向节点选择框,选择框内运动能耗最少的有向移动节点运动到有向强K-栅栏的目标位置,形成有向强1-栅栏覆盖.其中的节点运动能耗由移动能耗和转动能耗两部分组成.水平相邻子区域的1-栅栏通过竖直栅栏联合起来构成强1-栅栏覆盖,多个强1-栅栏构成有向强κ-栅栏覆盖.仿真结果证明了在形成G-栅栏的过程中,该方法比其他算法节省了40%～50%的节点,能耗降低了30%～40%.该文的研究对提升有向无线传感器网络的性能具有重要的理论与实际意义.

一种基于数据驱动的CPS建模方法研究961-972

摘要：信息-物理融合系统（CPS）由物理事件与计算系统两大部分组成,前者专注于处理连续的物理过程,与时间的流逝存在密切联系;后者则只能处理基于0-1机制的离散问题,两者存在本质上的差别.传统的建模方法一般需事先估计系统将要经历的状态及每一个状态转换所需的时间,这在复杂的CPS（Cyber-Physical System）环境中难以预测,也没有真正意义上实现计算系统与物理事件之间的交互.因此,我们提出一种新的建模方法 DCDM：面向CPS的真实环境经传感器、网络等测试得出一些原始的离散数据,通过一定的数学方法（GMDH）从数据出发建立系统的连续模型,为了缩小离散数据与连续模型之间的误差,采用反馈控制的方式不断调整两者之间的差距,直至其减小到一定的范围之内.DCDM从根本上改变了传统的建模方式,提出了一种从离散数据出发建立系统模型的思想,通过反馈控制实现物理事件与计算系统之间的深度融合.DCDM具有以下4种优势：（1）建模对象容易获得且更加客观,能真实反映系统本身;（2）通过数学方法直接实现参数的筛选,去除冗余属性,减小弱影响因子对系统模型的影响;（3）相较于其他数据拟合的方法,DCDM具有更加简单的复杂度,能节约大量的计算时间;（4）在离散数据与连续模型之间的误差方面,相较于其他的算法有着明显的改进.实验结果表明,在真实数据集中,DCDM的执行速度快于当前最新的数据建模方法,且数据集越大优势越明显.

传感器网络邻居发现协议综述973-992

摘要：邻居发现协议是传感器网络协议族的重要组成部分,用于快速高效地发现通信范围内的邻居节点,为其他协议和应用提供邻居信息.文中根据近年来的相关研究成果,介绍传感器网络邻居发现的问题定义,提出了形式化的问题模型以及简化的时隙模型,并指出了协议设计面临的挑战：（1）在电池供电的前提下保证能量有效性;（2）保证实时性以满足应用的延迟约束;（3）适应网络拓扑的动态性,尤其是近年来基于位置移动应用的出现对邻居发现协议的性能提出了更高的要求.文中根据各类邻居发现协议的对称性、确定性、协作性、是否使用多信道和按需发现等特点分类,选定了发现延迟、能耗和最优近似比作为协议的性能评价标准,并针对各类具有代表性邻居发现协议分析研究其主要设计思想,剖析了相似协议间存在的关联性和演进过程,论述各自的优缺点及适用范围,归纳协议设计方法并通过理论分析比较协议性能.最后,通过真实环境中的实验比较了各类协议的实际性能,并总结和展望了邻居发现技术的未来发展趋势.

基于密度控制的传感器网络能量空洞避免策略993-1006

摘要：针对无线传感器网络中节点能耗不均造成的能量空洞现象,提出了一种基于密度控制机制的能量空洞避免策略DCDD（Density Control-based Data Delivery algorithm）.在对分层成簇网络的各层能耗进行计算和分析的基础上,根据网络各层的能耗比例在各层网络中配置不同的初始能量,即不同数量的节点.进一步,利用密度控制机制改变节点的工作/休眠状态,使各层网络中的节点能量趋于同时耗尽.同时,为平衡簇头间的负载,引入路由负载平衡分流的思想,让一个簇的数据发送到下一跳的簇头时,不再只发送给一个簇头,而是将数据分流到多个簇头.仿真实验表明,与现有的几种数据传输算法相比,DCDD算法能有效延长网络寿命,平衡网络各层节点的能耗并避免能量空洞现象的出现.

UWSN中基于随机游走模型的可靠路由算法研究1007-1020

摘要：UWSN（Underwater Wireless Sensor Networks）相较于传统的无线传感器网络采用了声信号进行数据传输,由于高传输延迟的引入,冲突类数据丢失现象凸显,网络可靠通信面临全新的挑战.为了在这样的环境中实现低消耗、高可靠网络通信这一目的,文中设计了一种最小化冲突概率路由算法MCR（Minimum Conflict probability Routing）.该算法融合了网络节点的度值和节点工作负载,形成了一种全新的路由策略DBM（Degree and Buff based Metric）.在该路由策略基础上,采用图论中的随机游走模型对源节点与sink节点之间的路径进行选择.MCR算法的核心思想是选择两点之间冲突概率最低的路径完成数据传输,虽然该算法不能从Mac层解决冲突类丢包问题,但是从基于NS-2的仿真实验结果来看,在UWSN环境下,MCR算法相较于传统路由算法有效地减少了路径中的冲突类丢包概率,提升了端到端链路可靠性、具有较高较稳定的网络吞吐量.

智能移动终端计算迁移研究1021-1038

摘要：随着智能移动终端的普及和移动应用对计算资源需求的不断增长,移动终端资源（包括计算、存储、能量等）受限问题日益突出,如何扩展移动终端资源成为移动计算领域需要迫切解决的问题.计算迁移（computation offloading）是解决移动终端资源受限问题的一个有效途径,通过将一部分计算任务从本地迁移到远程设备执行来扩展移动终端的资源.该文首先回顾了计算迁移在分布式计算、普适计算和云计算背景下具有代表性的研究工作和进展,然后具体介绍和分析了3个典型的计算迁移系统,在此基础上,从软件架构角度对计算迁移系统的内部组成结构和关键质量属性等共性问题进行了探讨,并试着提出了计算迁移系统的参考架构.最后,探讨了未来计算迁移的研究挑战和发展趋势.

基于网络编码的无线传感器网络瓶颈区域生存时间优化策略1039-1050

摘要：在无线传感器网络中,汇聚节点周围的瓶颈区域由于负载过重,容易出现能量空洞问题,导致整个无线传感器网络的生存时间减少.该文提出了一种基于网络编码的优化策略（Optimization Strategy based on Network Coding,OSNC）,让瓶颈区域的部分节点采用网络编码,然后再转发给汇聚节点.这样,通过减少数据包的转发次数,从而降低了能量消耗.通过计算节点缓冲区满的概率,分析了此概率对网络生存时间的影响;另外,文中还分析了此策略下瓶颈区域的能耗情况,并计算出了瓶颈区域生存时间的上限.理论分析和数值模拟结果表明,OSNC算法比传统的无网络编码策略节能20%左右,提高网络生存时间近20%;同时,OSNC算法具有很强的适用性,更贴近实际的无线传感器网络.

一种有效消除环境噪声的被动式目标定位方法1051-1066

摘要：无线传感器网络中的被动式目标定位是一种利用监测目标对无线通信链路的接收信号产生的影响（如信号强度变化）对目标位置进行估计的技术.由于这种定位技术既不要求目标携带任何无线设备,又不需要目标主动参与定位过程,因此具有重要的应用前景.在基于接收信号强度的被动式目标定位研究工作中,大多假设链路接收信号强度是固定不变的.然而,实验和实际应用表明,这种假设是错误的.因为场景中不同射频信号的干扰和温湿度变化等环境影响都会引起处于同一位置的目标对应的接收信号强度不同,从而导致定位精度下降.为此,该文提出了一种能够有效消除环境噪声对链路接收信号影响的被动式目标定位方法.该方法首先利用基于有限状态马尔可夫链的线性迁移模型,将接收信号分解为由环境引起的噪声分量和由目标引起的扰动分量,并利用扰动分量构建射频地图;然后通过动态时间规整算法将实时扰动分量与射频地图进行匹配,实现目标定位.由于扰动分量仅与目标的位置有关,与环境无关,因此利用扰动分量进行定位不仅能够有效地消除环境噪声的影响、提高定位精度,而且使定位精度不会随着时间的推移而下降.实验结果表明,对于不同的环境和部署方式,该文提出的方法可有效地消除环境噪声对链路接收信号产生的影响,提高定位精度.

机会传感网络连通性参数研究1067-1080

摘要：由于物理条件的限制、成本考虑和节点失效等原因导致节点稀疏分布,在实现较大范围感知时,机会传感网络往往会形成多个不连通的区域,区域间节点的通信需要通过移动节点的运动来实现,这对其连通性的研究提出了挑战.研究机会传感网络连通性参数是构建连通性模型的基础.针对机会传感网络消息传输的特点,将整个网络划分为3个层次;定义子网消息投递成功率和子网消息平均投递时延为机会传感网络的连通性指标,并通过仿真实验验证了连通性指标的合理性和适应性;分析了连通性参数与连通性指标的关系,采用因子分析法对连通性参数间的相关性进行分析,提取出4个连通性参数;利用基于粒子群优化的小波神经网络对提取的连通性参数构建连通性模型,用于所提取连通性参数的验证,仿真实验和试验床实验均表明所提取的连通性参数是合理性的.