基于效用的無線傳感器網絡優(yōu)化.pdf

1、隨著傳感、通信和計算機技術的飛速發(fā)展,傳感器網絡作為一項新型的信息采集技術日益受到國內外的高度重視。由于無線傳感器網絡具有節(jié)點能量受限、無線鏈路易差錯、以數據為中心等特性,如果采用傳統的有線通信網絡的分層架構和協議算法,往往會導致傳感器網絡性能的下降。為此,不少學者采用跨層設計的方法對無線傳感器網絡進行研究,但是這些研究往往缺乏對網絡全局優(yōu)化模型的指導或難以形成能收斂到全局最優(yōu)的分布式算法。近年來,采用網絡效用最大化(Network U

2、tility Maximization,簡稱NUM)的優(yōu)化設計方法逐步成為研究網絡設計和優(yōu)化問題的一種重要研究方法。由于最初NUM模型是針對有線數據網絡提出來的,如果直接采用NUM的思想對傳感器網絡進行建模與設計,存在多方面的問題。
　　首先,NUM方法最初由F.P.Kelly等學者在研究有線網絡速率控制中首次采用。借鑒經濟學中描述消費者接受服務時所獲收益的效用思想,定義網絡節(jié)點對網絡所提供服務的滿意程度作為節(jié)點的效用,將整個網絡

3、模型化為一個總的效用最大化問題。他們設計的效用函數并沒有考慮能耗問題,而能耗問題是傳感器網絡最重要的問題之一。
　　其次,在以數據為中心的傳感器網絡中,單個傳感器節(jié)點的數據發(fā)送收益并不重要,而數據采集節(jié)點(Sink)所收集的融合數據的收益才是網絡的收益。傳感器節(jié)點作為數據產生源和數據轉發(fā)者,節(jié)點能量的消耗與數據傳輸路徑上的其它節(jié)點的能量消耗相互耦合,需要引入耦合的約束描述該過程。
　　最后,MAC層的接入沖突導致了傳感器節(jié)點

4、許多能量的浪費。如何采用NUM的思路設計低功耗的的分布式MAC接入控制協議和算法,減少傳感器節(jié)點間的沖突,讓整個網絡的性能趨于最優(yōu),也是一個重要的問題。
　　本文針對上述問題,從如下幾個方面研究無線傳感器網絡的優(yōu)化與設計問題:(1)傳感器網絡中基于效用的節(jié)點能量優(yōu)化分配問題(2)傳感器網絡中基于效用的功率控制算法研究;(3)基于效用的傳感器網絡退避算法研究。以上工作得到了國家自然科學基金“基于網絡效用最大化的無線傳感器網絡研究”(

5、No.60772088)和“自組織認知無線電網絡關鍵技術研究”(No.60602029),湖北省智能互聯網技術重點實驗室開放基金項目“自組織認知無線電網絡關鍵技術研究”(No.HSIT200605)的資助。本文取得研究成果包括如下幾個方面:
　　1.傳感器網絡中基于效用的節(jié)點能量優(yōu)化分配策略NUM的思想在有線網絡中指導網絡設計時獲得了極大的成功,但傳感器網絡的無線鏈路環(huán)境是時變的,同時傳感器節(jié)點既要完成數據感知和采集任務也要完成數

6、據轉發(fā)任務,因此有必要針對傳感器網絡的特征設計效用函數。本研究點將引入沿著數據流路徑的轉發(fā)能量來建立新的效用模型。新的效用模型通過轉發(fā)能量來體現節(jié)點之間的協同工作,將一個節(jié)點和沿著其路由路徑的所有節(jié)點構成一個協作體,在此基礎上進行聯合優(yōu)化建模,設計相關的算法,并對該算法進行仿真評估。
　　2.傳感器網絡中基于效用的功率控制算法為了加強傳感器節(jié)點之間的協作,提出了凈效用最大化(Net Utility Maximization)的思想

7、,把傳感器網絡的設計問題抽象成一個非線性優(yōu)化問題。求解非線性優(yōu)化問題時采用對偶技術將其分解成了兩類若干可求解的子問題,這些子問題分別對應于傳統分層網絡中傳輸層的流控和物理層功率控制問題,基于這種思想設計分布式功率控制和源速率調整算法,讓整個網絡的性能趨于最優(yōu)。
　　3.傳感器網絡中基于效用的退避算法研究從簇頭的角度,把簇內傳感器節(jié)點接入信道看成一種資源分配,通過把資源分配看成效用最大化的優(yōu)化模型說明了簇內傳感器節(jié)點爭用信道的退避窗