基于容错编码的卫星物联网移动缓存系统修复策略研究

作     者：王念念 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王野

授予年度：2020年

学科分类：1305[艺术学-设计学（可授艺术学、工学学位）] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 13[艺术学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 081104[工学-模式识别与智能系统] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 081001[工学-通信与信息系统] 081101[工学-控制理论与控制工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：卫星物联网 移动缓存 容错编码 通信功耗开销 自适应修复 

摘      要：随着移动终端和网络技术的快速发展,物联网(Internet of Things,Io T)技术引起研究者们的广泛关注,人们期待万物互联时代的到来。然而,目前依靠地面无线通信技术的物联网技术还难以在跨区域、大范围和恶劣环境下实现。因此,使用卫星组网代替地面基站给物联网终端提供服务是物联网发展的必然趋势。同时,随着大数据技术的蓬勃发展,全球物联网中包含的业务类型以及数据量都呈现指数型增长,将给卫星物联网对海量数据的存储和处理能力带来了压力和挑战。针对卫星物联网中海量数据的可靠存储问题,利用移动终端多余或空闲的存储容量,将数据缓存到多个移动终端中,满足卫星覆盖范围内任意移动终端对数据的收集,能够大幅度提升数据的传输效率。在卫星物联网中,当移动终端电量耗尽或离开卫星覆盖范围内时,需要对失效的数据进行快速修复,以保证存储数据的完好和可靠性。因此,容错编码在卫星物联网的移动缓存系统中具有潜在的应用价值。传统的容错编码方案如复制、纠删码和再生码等,在应用时存在着存储、带宽开销大和修复时需要的帮助节点数目多的问题,同时还需兼顾考虑物联网系统低功耗成本的特点。对于上述问题,本论文以降低系统整体通信功耗开销为目标,将自适应最小存储再生(Adaptive Minimum Storage Regenerating,AMSR)码引入卫星物联网移动缓存系统中,以解决卫星物联网缓存系统中数据的可靠存储和及时修复问题。主要的研究内容及贡献如下:针对在卫星覆盖范围内,由无通信距离限制的物联网终端组成的卫星物联网移动缓存场景,根据AMSR码帮助节点数目可变的特性,设计了基于阈值的自适应修复策略。通过对该系统模型的建模和分析,基于阈值修复策略,推导了系统数据收集和修复的功耗开销公式并优化了修复阈值点。仿真结果验证了在最优的阈值点启动修复过程时,可以让整体通信功耗开销最小。针对存储节点有通信距离限制的联合无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)-卫星物联网应用的移动缓存场景,将终端设备存储节点的部署根据泊松点过程来建立系统模型,推导适用于各容错编码方案的系统功耗开销表达式,并且提出新的系统可用性和功耗开销等评估指标。通过仿真找到适用系统的容错编码方案、编码和系统参数,实现系统需要具有高可用和低功耗特性的需求。