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《山东大学》 2007年
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嵌入式分布系统通信实时性问题的研究

贾智平  
【摘要】: 以太网由于其开放性好和价格低廉等特点,在分布式测控领域已经得到了大规模的应用。随着嵌入式系统被广泛地应用于实时监控领域,将各种嵌入式检测设备连接入Internet并实现远程实时监控必然成为嵌入式系统发展的大趋势。 Internet技术的发展,使得TCP/IP协议已经成为事实上的标准,但是传统的TCP/IP协议在实时性方面做的不够好,把大量的精力花在保证数据传送的可靠性及数据的流量控制上。由于嵌入式设备本身资源少,分布式监控系统的实时性要求又较高,因而传统的TCP/IP协议并不能满足其实时性要求,如何提高嵌入式系统通信的实时性能已成为十分重要而又亟待解决的问题。 嵌入式系统通信的实时性问题不单是指嵌入式系统本身的实时性,更需要进行研究的是各种嵌入式设备互连通信的网络和应用的实时性,这就包括协议层面的实时性保证和应用层面的实时性处理。本论文以山东省科技攻关项目“海洋环境在线监测及灾害智能预警系统的研制(2004GG2205108)”和“具有自主知识产权的嵌入式系统研究及开发(2005GG1101001)”为背景,重点对由嵌入式设备构建的分布式监控系统的实时性问题进行了深入、系统的理论研究和实践探索。 全文的主要内容包括以下几个方面: (1)设计了嵌入式分布系统实时网络架构,引入了嵌入式网关的结构设计。在分析了一种新的网关运行模式及其低时空复杂度和实时性的要求的基础上,将实时数据库嵌入到网关中。数据的处理抽象出了M/G/1排队模型,并提出了一种结合数据包的多个属性因素划分优先级的方法,设计了一种简单有效的基于优先级的调度算法,并从理论上分析了模型的性能指标。该模型能够有效地保证高优先级数据的实时性和低优先级数据的公平性,降低系统的缓冲队长,并且控制逻辑简单,占用内存和缓冲区小,适用于嵌入式设备的互连通信模块。 (2)针对嵌入式网关的资源有限、实时性要求高的特点,提出了一个适用于嵌入式系统的TCP/IP协议栈设计方案。 为了在通信量较大时仍能保证嵌入式系统具有良好的实时通信能力,在对现有各种拥塞控制算法进行分析研究的基础上,从动态调节缓冲区大小和基于二维表的数据包调度两方面给出了嵌入式系统TCP拥塞控制改进算法,改善了传输性能,提高了在重负载时TCP通信能力和响应重要数据包的实时性。 (3)针对嵌入式环境中资源匮乏,功能专用的特点,结合马尔可夫决策过程理论,建立了解决路由问题的有限阶段模型,并修改马尔可夫有限阶段模型的向后递归迭代算法,提出了马尔可夫有限阶段决策路由算法MFHDR(Markov Finite Horizon Decision Routing),证明了算法的正确性和低的时空复杂度,同时提出了具有QoS特性的马尔可夫有限阶段路由。这些路由算法的计算工作和拓扑信息分布在了每个设备节点上,而单阶段中各个节点又是并行工作的,因此可以减少和均衡各节点的工作负载,能有效利用嵌入式对等互连网络中的各个计算资源。 (4)针对数据量大的分布监测问题,结合数据挖掘理论,研究了基于模糊关系的模糊聚类算法,首先对由于传统FCM(Fuzzy C-Means)算法初始聚类中心为随机选择,导致有时无法取得全局最优解问题,提出了一种基于样本相似关系进行预处理的FCM算法,以较小的代价换取了整个算法稳定性以及计算量的降低;然后在FCM基础上综合考虑不完整数据样本在数据集中所占比率以及对聚类分析的影响情况,提出了一种改进的模糊C均值聚类算法IDFCM(Incomplete Datum FCM),弥补传统FCM聚类算法无法直接应用于这种情况下的聚类分析问题。 最后在构建的实时海洋数据监测及传输网络系统上仿真运行,证明了算法在减少网络数据流量的同时,提高了预测的准确性和实时性。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP273.5;TP393.02

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