基于跨层的无线传感器网络资源调度与路由算法研究

论文摘要

无线传感器网络的路由选择和链路资源分配是一个联合优化问题,有效解决该问题的方法是采用联合物理层和数据链路层的跨层联合优化机制。由于无线传感器网路所具有的节点能量受限特性以及链路间干扰,使得实现这一目标成为条件受限的非线性优化问题。本文根据最大化效益理论,首先,对影响系统目标优化的分集特性理论进行了分析,其中包括:频率选择型分集、地点分集、时间分集以及成员节点队列分集。然后,针对无线传感器网络系统采用自组织分群的管理机制所需涉及的资源分配和路由节点选择问题,利用最大系统效益函数建立了联合路由选择和链路资源分配的跨层优化模型,并对优化过程中需要解决的几个关键性问题,提出了针对性有效实现算法。通过系统性的整体分析可以得出:由于路由链路传输性能决定于链路信道的质量,因此,无线传感器网络中的路由链路建立及链路资源调度问题具有相互影响特点。根据最大系统效益理论,建立了基于最大总体效益函数值的系统资源优化模型。利用效益函数,推导出有效的相关因素数学关系计算方程。此外,设计了能够实现路由链路资源分配公平性的效益函数集,改善了系统资源调度整体性能。该系统模型的建立为后续问题的解决提供了理论分析依据。根据有向图理论,对无线传感器网络中的实现有效路由选择机制的具体解决方法进行了分析。针对该问题所需要的资源利用有效性问题,在节点能量受限条件下,提出了一种基于联合物理层和数据链路层的跨层资源分配方案,并设计了基于局部分群管理的路由机制。采用所提出的分群路由管理方式,极大地减少了每个群内的成员节点数据计算和传输任务(包括路由选择)所需的资源开销,较大程度的减少了大量成员节点的负载量,有效降低了成员节点能耗,在不同的网络负载状态下,都能够使系统具有较高的资源分配有效性。针对基于OFDM接入的无线传感器网络路由链路频率调度问题,理论分析了影响系统优化模型实现的两个主要因素:同频链路干扰分集和成员节点队列分集。根据理论分析结果,提出了一个动态子载波分配算法。通过对同频链路干扰因素的时间分布相关性预测,该算法确定了有效分配子载波的统计周期间隔,能够为OFDM无线传感器网络群内成员节点提供较好的路由链路传输性能。时变的同频链路间干扰导致了链路的不稳定性,使采用子载波复用的OFDM无线传感器网络系统容量最大化问题具有较高的实现复杂度。为解决该问题,通过对基于时间失效的自动放弃策略和基于信噪比淹没的自动放弃策略进行研究,提出了一种基于启发式搜索的子载波分配算法(DSA)。为进一步改进全局公平性,对DSA算法采取了全局公平性控制机制,提出了全局公平调度算法(GPCSA)。理论分析和仿真结果证明:这两个算法能够极大地改善系统传输有效性和公平性。通过数学建模分析以及仿真测试,以上提出的算法,在一定的系统状态下,能够使系统资源的调度和路由链路选择得到优化,进一步改进了系统资源的有效性与公平性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 无线传感器网络研究现状
• 1.2.1 无线传感器网络特点
• 1.2.2 传感器网络设计实现中存在的问题
• 1.3 传感器网络基于跨层的资源优化
• 1.3.1 跨层优化问题提出
• 1.3.2 基于机会调度的跨层设计
• 1.3.3 传感器网络无线链路接入机制
• 1.3.4 分布式功率控制与路由
• 1.3.5 联合数据传输与数据处理的跨层设计
• 1.4 本文的主要研究内容
• 1.5 论文采用的研究方法
• 第2章 基于跨层的资源优化系统模型
• 2.1 无线网络跨层优化调度理论
• 2.2 基于效益函数的无线网络资源优化
• 2.2.1 系统效益的最大化
• 2.2.2 系统效益函数
• 2.3 基于跨层的WSN拥塞控制与调度
• 2.3.1 基于效益函数的数学模型
• 2.3.2 多跳分布式调度算法
• 2.4 本章小结
• 第3章 联合路由与网内计算的跨层设计
• 3.1 系统条件假设
• 3.2 系统模型建立
• 3.2.1 模型描述
• 3.2.2 问题描述
• 3.2.3 WSN多跳调度模型
• 3.3 联合路由与资源调度算法
• 3.3.1 节点通信调度算法
• 3.3.2 贪心的渐进路由选择
• 3.3.3 节点路由选择与通信调度
• 3.4 性能分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 联合链路干扰与节点效益预测的资源调度
• 4.1 OFDM接入方式子载波调度分析
• 4.2 ON/OFF模型数据的时域相关性
• 4.2.1 时域长尾分布特性
• 4.2.2 时域自相似特性
• 4.2.3 无线信道相关特性
• 4.3 多链路干扰下ON/OFF模型数据的时域分布
• 4.3.1 多无线链路干扰分布
• 4.3.2 多链路干扰下节点数据的统计时间相关性
• 4.3.3 多链路干扰分布统计预测模型
• 4.4 联合干扰统计预测与最大节点效益选择
• 4.4.1 节点队列和子载波状态联合预测
• 4.4.2 最大节点效益选择
• 4.4.3 基于干扰预测的子载波分配
• 4.5 性能分析
• 4.5.1 仿真环境模型
• 4.5.2 节点数据模型
• 4.5.3 性能分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 启发式路由链路子载波选择与链路控制
• 5.1 最大化系统容量
• 5.1.1 系统性能优化分析
• 5.1.2 路由传输容量最大化
• 5.1.3 系统容量最大化存在性
• 5.2 链路功率控制
• 5.2.1 时间失效自动放弃
• 5.2.2 信干噪比淹没自动放弃
• 5.3 联合子载波选择与功率控制
• 5.3.1 最小功率递增子载波选择
• 5.3.2 最少子载波占用选择
• 5.3.3 联合启发式子载波选择与链路保护
• 5.4 性能分析
• 5.4.1 仿真环境
• 5.4.2 结果及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢