凸優(yōu)化理論在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)效用與節(jié)能方面的應(yīng)用研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由大規(guī)模能量受限的傳感器節(jié)點(diǎn)自組織構(gòu)成的，本質(zhì)上是一種能量嚴(yán)重受限的網(wǎng)絡(luò)。覆蓋在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)都具有感知周圍環(huán)境信息、數(shù)據(jù)處理與無(wú)線通信的功能，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳無(wú)線通信方式傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)或者基站，從而完成對(duì)部署區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。WSN應(yīng)用前景十分廣闊，廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，日益發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)。
　　WSN在得到廣泛

2、應(yīng)用的同時(shí)，也面臨諸多問(wèn)題和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。如何有效的利用節(jié)點(diǎn)的能量以延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命應(yīng)當(dāng)成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)最需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。NUM(Network Utility Maximization)作為一種系統(tǒng)分析網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的有效工具，非常適合于設(shè)計(jì)WSN的各種穩(wěn)定的分布式資源控制算法。
　　WSN的應(yīng)用性能一般與網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)量有關(guān)，可由網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)的速率分配來(lái)間接反應(yīng)。源節(jié)點(diǎn)速率越大，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能越好，而WSN的壽命就會(huì)越短

3、，反之亦然。因而，WSN的應(yīng)用性能與其壽命之間存在固有的權(quán)衡。為保障源節(jié)點(diǎn)的速率分配滿足一定的公平性，本文基于NUM框架思想采用網(wǎng)絡(luò)效用來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用性能，通過(guò)引入權(quán)衡因子，建立了兩種聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)效用與網(wǎng)絡(luò)壽命最大化的凸優(yōu)化模型。所提模型的創(chuàng)新之處在于使用限制性更強(qiáng)的MAC約束代替一般的鏈路容量約束作為可行域的限制條件，另外應(yīng)用逐跳重傳的機(jī)制保障數(shù)據(jù)端到端可靠傳輸，然后采用Lagrange對(duì)偶分解方法設(shè)計(jì)了相應(yīng)的部分與完全分布式優(yōu)化算法。數(shù)

4、值仿真結(jié)果表明，通過(guò)權(quán)衡因子的適當(dāng)選取，本文所建立的模型能夠有效調(diào)整網(wǎng)內(nèi)源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送速率，從而可在網(wǎng)絡(luò)性能與網(wǎng)絡(luò)壽命之間取得平衡。
　　近年來(lái)，WSN的壽命最大化路由問(wèn)題越來(lái)越受到重視。論文另一部分基于差異化加權(quán)數(shù)據(jù)融合機(jī)制來(lái)消除網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的冗余性，對(duì)前人提出的聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)壽命最大化與網(wǎng)絡(luò)延遲最小的模型進(jìn)行了改進(jìn)，基于Lagrange對(duì)偶分解方法將該問(wèn)題分解為若干個(gè)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上執(zhí)行的子問(wèn)題，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的完全分布式的求解算法