基于效用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化.pdf

1、隨著傳感、通信和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一項新型的信息采集技術(shù)日益受到國內(nèi)外的高度重視。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點能量受限、無線鏈路易差錯、以數(shù)據(jù)為中心等特性,如果采用傳統(tǒng)的有線通信網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)和協(xié)議算法,往往會導(dǎo)致傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的下降。為此,不少學(xué)者采用跨層設(shè)計的方法對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究,但是這些研究往往缺乏對網(wǎng)絡(luò)全局優(yōu)化模型的指導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)效用最大化(Network U

2、tility Maximization,簡稱NUM)的優(yōu)化設(shè)計方法逐步成為研究網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)提出來的,如果直接采用NUM的思想對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模與設(shè)計,存在多方面的問題。
　　首先,NUM方法最初由F.P.Kelly等學(xué)者在研究有線網(wǎng)絡(luò)速率控制中首次采用。借鑒經(jīng)濟(jì)學(xué)中描述消費者接受服務(wù)時所獲收益的效用思想,定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)的滿意程度作為節(jié)點的效用,將整個網(wǎng)絡(luò)

3、模型化為一個總的效用最大化問題。他們設(shè)計的效用函數(shù)并沒有考慮能耗問題,而能耗問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的問題之一。
　　其次,在以數(shù)據(jù)為中心的傳感器網(wǎng)絡(luò)中,單個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送收益并不重要,而數(shù)據(jù)采集節(jié)點(Sink)所收集的融合數(shù)據(jù)的收益才是網(wǎng)絡(luò)的收益。傳感器節(jié)點作為數(shù)據(jù)產(chǎn)生源和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)者,節(jié)點能量的消耗與數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shè)計低功耗的的分布式MAC接入控制協(xié)議和算法,減少傳感器節(jié)點間的沖突,讓整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與設(shè)計問題:(1)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于效用的節(jié)點能量優(yōu)化分配問題(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于效用的功率控制算法研究;(3)基于效用的傳感器網(wǎng)絡(luò)退避算法研究。以上工作得到了國家自然科學(xué)基金“基于網(wǎng)絡(luò)效用最大化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究”(

5、No.60772088)和“自組織認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究”(No.60602029),湖北省智能互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點實驗室開放基金項目“自組織認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時獲得了極大的成功,但傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)感知和采集任務(wù)也要完成數(shù)

6、據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),因此有必要針對傳感器網(wǎng)絡(luò)的特征設(shè)計效用函數(shù)。本研究點將引入沿著數(shù)據(jù)流路徑的轉(zhuǎn)發(fā)能量來建立新的效用模型。新的效用模型通過轉(zhuǎn)發(fā)能量來體現(xiàn)節(jié)點之間的協(xié)同工作,將一個節(jié)點和沿著其路由路徑的所有節(jié)點構(gòu)成一個協(xié)作體,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化建模,設(shè)計相關(guān)的算法,并對該算法進(jìn)行仿真評估。
　　2.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于效用的功率控制算法為了加強(qiáng)傳感器節(jié)點之間的協(xié)作,提出了凈效用最大化(Net Utility Maximization)的思想

7、,把傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)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(shù)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(yīng)于傳統(tǒng)分層網(wǎng)絡(luò)中傳輸層的流控和物理層功率控制問題,基于這種思想設(shè)計分布式功率控制和源速率調(diào)整算法,讓整個網(wǎng)絡(luò)的性能趨于最優(yōu)。
　　3.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于效用的退避算法研究從簇頭的角度,把簇內(nèi)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(nèi)傳感器節(jié)點爭用信道的退避窗