超宽带无线传感器网络数据传输跨层优化模型的研究

论文摘要

超宽带（Ultra Wide Band,UWB）技术是一种利用数Hz到数GHz的超带宽、通过微弱的脉冲信号进行通信的无线通信技术。2002年2月,美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission,FCC）批准限用于军事用途的超宽带技术用于民用通信,在学术界、产业界掀起了UWB技术的研究热潮。利用UWB技术特有的大频带宽度、高传输速率、低信号功率及噪音环境下的高处理增益等特点,建立以UWB为物理层技术的无线传感器网络（Wireless SensorNetworks,WSNs）就是其中的一个研究热点。无线传感器网络中,节点分布密集,一条链路上信号功率的变化,极易对相邻链路的信道容量产生影响。因此,网络层上基于容量的路由问题与MAC层调度、物理层信号功率控制密切相关。即,无线传感器网络中的数据传输问题必须通过跨层（Cross-Layer）的方式予以解决。近年来,国内外学者在无线传感器网络跨层优化方面做了大量的研究,但是仍然存在许多未解决的问题。本文在对国内外相关领域研究成果研究、分析的基础上,对基于UWB技术的无线传感器网络数据传输跨层优化问题展开了较为系统的研究,主要研究工作及创新性体现在以下几个方面:（1）构建了UWB无线传感器网络数据传输跨层优化模型跨层设计是提高无线传感器网络整体性能的一种有效方法。本文在综合考虑MAC层调度、物理层信号功率控制、网络层路由三方面因素的基础上,结合UWB技术大频带宽度、低信号功率等特点,以实现网络最大数据传输速率为目标,构建了UWB无线传感器网络数据传输跨层优化模型。仿真实验结果表明,根据模型最优解进行网络配置可显著提高网络的数据传输速率。这证明以构建、求解跨层优化模型的方式,解决UWB无线传感器网络数据传输问题是切实可行的。（2）提出了一种基于UWB技术的网络节点定位算法由于UWB无线传感器网络数据传输跨层优化模型的特殊性（非线性规划模型）,本文将跨层优化模型的求解安排在基站节点上进行,这就要求基站节点必须掌握网络全局拓扑信息。为满足这一要求,本文利用UWB技术特有的精确测距功能,提出了一种不依赖GPS的UWB无线传感器网络节点定位算法。该算法利用UWB技术的精确测距功能,获得网络中一跳邻居节点间距离信息;然后,根据一定约束条件,在网络中选取若干基节点,建立以基节点为坐标原点的基节点坐标系,确定各节点在所属基节点坐标系中的坐标。在此基础上,通过不同坐标系的坐标变换,建立统一的网络坐标系,最终确定整个网络的物理拓扑。该算法为高效实现网络基本功能,如路由、网络管理等提供了可能,适用于无线传感器网络或节点运动变化较小的Ad Hoc网络。（3）建议了一种大规模UWB无线传感器网络数据传输方案本文提出的大规模传感器网络数据传输方案建立在跨层优化模型仿真实验结果及模型约束条件对优化结果影响作用详细分析的基础上,方案包括以下三个阶段:①利用网络节点定位算法,获得网络物理拓扑;②特定事件发生时,选取探测区域中适当节点为“基站”节点,在探测区域中求解跨层优化模型;③根据实际应用的需求,以减少优化模型约束条件、变量数量为目标,对模型约束条件作适当调整,在整个网络拓扑中第二次求解跨层优化模型。上述求解过程中,如果每一次求解均得到可行解,则源节点生成的传感数据能够成功地转发到基站节点。采用上述数据传输方案,虽然增加了模型的求解次数,但每次求解模型时涉及的节点数量明显减少,这一方面降低了模型的求解难度,另一方面还可以充分利用小规模网络跨层优化模型的已有研究成果,避免优化模型及相关程序代码的二次开发。（4）研究并实验验证了基站可接收最大数据速率通过仿真实验分析了基站节点与其一跳邻居节点相互位置关系对优化模型目标函数值的影响,得到以下结论:基站节点的数据接收能力与其一跳邻居节点数量、分布位置等因素密切相关。在上述实验结果的启发下,论文对基站可接收最大数据速率问题展开了深入细致的研究分析,并对分析结果进行了仿真实验验证。本文对UWB无线传感器网络数据传输跨层优化问题进行了较为系统、深入的研究,建议了一种大规模UWB网络数据传输方案,旨在为促进UWB无线传感器网络跨层优化的研究起到一定的推动作用。本文得到国家自然科学基金项目（90304018、60672137）、教育部高等学校博士点基金项目（20060497015）资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 UWB技术
• 1.2.1 UWB技术的发展历程
• 1.2.2 UWB的基本概念
• 1.2.3 UWB的技术特点
• 1.2.3.1 UWB的技术优势
• 1.2.3.2 UWB的局限性
• 1.2.4 UWB的应用领域
• 1.3 无线传感器网络
• 1.3.1 无线传感器网络体系结构
• 1.3.1.1 节点结构
• 1.3.1.2 无线传感器网络体系结构
• 1.3.1.3 无线传感器网络协议栈
• 1.3.2 无线传感器网络特点
• 1.3.3 无线传感器网络应用领域
• 1.4 无线传感器网络跨层优化设计
• 1.4.1 跨层优化设计的基本思想
• 1.4.2 无线传感器网络跨层优化设计研究现状
• 1.4.2.1 国内相关研究
• 1.4.2.2 国外相关研究
• 1.5 本文的主要研究内容和主要工作
• 1.6 论文的组织结构
• 第2章 跨层设计优化模型
• 2.1 引言
• 2.2 网络模型
• 2.2.1 相关定义
• 2.2.2 MAC层调度
• 2.2.3 物理层信号功率控制
• 2.2.4 网络层路由
• 2.3 跨层优化模型的构建
• 2.3.1 子频带信道容量
• 2.3.2 目标函数
• 2.3.3 跨层优化模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 UWB无线传感器网络节点定位算法
• 3.1 引言
• 3.2 节点定位算法概述
• 3.2.1 相关定义
• 3.2.2 网络初始化
• 3.2.3 节点定位算法实施步骤
• 3.3 基节点坐标系BCS
• 3.3.1 节点i、p、q的一跳邻居节点坐标
• 3.3.2 节点i、p的一跳邻居节点坐标
• 3.3.3 节点i的一跳邻居节点坐标
• 3.3.4 其他节点坐标
• 3.3.5 参考节点的选取
• 3.4 网络坐标系NCS
• 3.4.1 坐标变换公式
• 3.4.2 BCS坐标变换的约束条件
• 3.4.3 基节点坐标系的坐标变换
• 3.5 仿真实验
• 3.5.1 实验参数设置
• 3.5.2 实验结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 跨层优化模型仿真实验及深入分析
• 4.1 引言
• 4.2 优化建模软件LINGO
• 4.3 跨层优化模型LINGO代码
• 4.4 仿真实验设置
• 4.5 实验数据分析
• 4.6 约束条件对优化结果的影响
• 4.6.1 调度
• 4.6.2 功率控制
• 4.6.3 路由
• 4.6.3.1 最小能耗路由方案
• 4.6.3.2 最小跳数路由方案
• 4.6.3.3 仿真实验及分析
• 4.6.4 网络拓扑
• 4.6.4.1 基站
• 4.6.4.2 节点分布密度
• 4.6.4.3 源节点数据速率
• 4.7 约束条件对模型求解的影响
• 4.7.1 调度
• 4.7.2 路由
• 4.7.3 应用需求
• 4.8 本章小结
• 第5章 大规模网络数据传输方案
• 5.1 引言
• 5.2 大规模网络数据传输初步分析
• 5.2.1 数据传输方案
• 5.2.2 无线传感器网络探测区域
• 5.2.3 仿真实验及分析
• 5.3 大规模网络数据传输方案
• 5.3.1 解决思路
• 5.3.2 方案实施细节
• 5.3.3 仿真实验设置
• 5.3.4 第一次数据汇聚
• 5.3.5 第二次数据汇聚
• 5.4 本章小结
• 第6章 基站可接收最大数据速率
• 6.1 引言
• 6.2 问题的提出
• 6.2.1 问题初步分析
• 6.2.2 仿真实验分析
• 6.3 基站可接收最大数据速率
• 6.4 仿真实验及分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间发表的论文