WSAN中時延約束的協(xié)作數(shù)據(jù)匯聚能效優(yōu)化研究.pdf

1、能效優(yōu)化是無線傳感器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor and ActuatorNetwork, WSAN)的核心問題之一。近年來，以動態(tài)拓?fù)淇刂坪凸?jié)點分布式協(xié)作為基本策略的協(xié)作數(shù)據(jù)匯聚是提升WSAN能量效率的重要研究方向。本文以重載橋梁和路基長期安全狀態(tài)監(jiān)測的WSAN為研究背景，采用增強(qiáng)學(xué)習(xí)、協(xié)作通信和博弈論等理論和方法，研究執(zhí)行器路徑規(guī)劃、多執(zhí)行器負(fù)載平衡和節(jié)點干擾抑制等問題，提出WSAN中時延約束下的能效優(yōu)化機(jī)制。主要工

2、作包括以下幾個方面:
　　論文從應(yīng)用于監(jiān)測重載橋梁和路基的WSAN實例出發(fā)，分析了時延約束下多執(zhí)行器WSAN能效優(yōu)化的重點和難點，提出了基于移動數(shù)據(jù)匯聚和協(xié)作通信干擾抑制的WSAN系統(tǒng)架構(gòu)，首先構(gòu)建具有能量感知的動態(tài)拓?fù)?，以此為基礎(chǔ)選擇輪詢點，再規(guī)劃執(zhí)行器采集信息的路徑;然后針對多執(zhí)行器情況，采用在線模糊Q學(xué)習(xí)方法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自適應(yīng)分區(qū)，保證多個執(zhí)行器間的通信負(fù)載和能耗均衡;針對執(zhí)行器采集信息過程中相鄰節(jié)點間存在的數(shù)據(jù)干擾，提出基于

3、協(xié)作通信和博弈論的干擾抑制方法。為實現(xiàn)低數(shù)據(jù)匯聚時延、高能量效率、高可靠性的WSAN提供一套有效的解決方案。
　　提高網(wǎng)絡(luò)能效，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)生存時間是WSAN的核心目標(biāo)。論文針對多跳路由數(shù)據(jù)匯聚的負(fù)載均衡問題，選擇網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚輪詢點。首先根據(jù)傳感器節(jié)點的剩余能量構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)動態(tài)生成樹;在全局拓?fù)湫畔⒖傻玫膱鼍跋绿岢龌谌攵葍?yōu)先的輪詢點選擇算法，在只能獲得局部拓?fù)湫畔⒌膱鼍跋绿岢龌诠?jié)點通信負(fù)載的輪詢點選擇算法。選擇的輪詢點作為局部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)

4、的匯聚點以分散化、區(qū)域化的方式限制網(wǎng)絡(luò)的路由跳數(shù)，均衡網(wǎng)絡(luò)能耗。
　　針對WSAN的實時性要求，本文提出時延約束下的移動執(zhí)行器的賽道尋優(yōu)路徑規(guī)劃算法。以輪詢點為執(zhí)行器路徑規(guī)劃停留的參考位置，將執(zhí)行器的路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)換為旅行商問題;考慮輪詢點通信半徑，采用基于賽道尋優(yōu)的最近鄰點啟發(fā)式算法，求解執(zhí)行器遍歷所有輪詢點的最優(yōu)移動軌跡;同時將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚的時延約束轉(zhuǎn)換成執(zhí)行器的移動距離約束，作為算法的迭代收斂條件，保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚實時性，并

5、通過建立和求解空間域最優(yōu)規(guī)劃模型提供算法性能評估。
　　對多執(zhí)行器場景，論文提出一種在線模糊Q學(xué)習(xí)的能耗均衡自適應(yīng)分區(qū)算法。將每個執(zhí)行器作為具有學(xué)習(xí)和決策能力的智能體，實時獲取網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的能量和分布狀態(tài)信息;再使用模糊推理機(jī)制離散化位置和能量分布狀態(tài)，構(gòu)建Q學(xué)習(xí)的狀態(tài)空間和Q函數(shù);根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)能量分布狀態(tài)選擇具有最大回報值的分區(qū)中心位置，并產(chǎn)生對應(yīng)的Voronoi劃分，實現(xiàn)能耗均衡的分區(qū)自適應(yīng)調(diào)整。
　　WSAN中突

6、發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)致的相鄰節(jié)點間的數(shù)據(jù)發(fā)送干擾是影響數(shù)據(jù)傳輸效率的重要問題。本文提出了一種基于協(xié)作數(shù)據(jù)匯聚的干擾抑制機(jī)制。首先將協(xié)作通信技術(shù)引入WSAN，通過協(xié)作中繼轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作干擾轉(zhuǎn)發(fā)的方式提升節(jié)點的抗干擾能力;然后考慮到節(jié)點自私特性，引入頻譜共享機(jī)制激勵中繼節(jié)點參與協(xié)作干擾抑制;采用斯坦伯格博弈方法對協(xié)作干擾抑制過程進(jìn)行分析;再通過求解博弈均衡來選擇最優(yōu)的策略進(jìn)行協(xié)作信息傳輸，得到一種干擾情況下的協(xié)作數(shù)據(jù)傳輸方法。該方法可抑制節(jié)點間的干擾影響，