無線傳感器網絡生命周期跨層優(yōu)化研究.pdf

1、能量損耗問題是無線傳感器網絡(WSN)研究的關鍵性問題，如何能使無線傳感器網絡運行能量最小同時使網絡生命周期(NL)最大是一項挑戰(zhàn)性的研究工作。近年來，圍繞相關問題，研究人員們進行了大量工作。但是，目前的研究內容主要集中在用數(shù)值算法解決網絡生命周期最大化(NLM)問題，然而數(shù)值解法不能提供準確的解析表達式，因此不能深刻揭示(1)這個優(yōu)化問題的解到底是什么?(2)相關參數(shù)是如何影響NL的?(3)它們之間的依賴關系是什么?等能提供進一步深入

2、分析NLM命題的問題。本文提出了用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)最優(yōu)性條件解析地求解NLM問題的新途徑，能夠有效回答上面提出的這些疑問。本文主要研究在能量受限的無線傳感器網絡中如何使能量消耗最小化以及網絡生命周期最大化。由于各層協(xié)議的設計都會影響整個網絡能量的消耗，NLM問題需要綜合考慮各層協(xié)議的約束，因此本文采用跨層優(yōu)化的方法解決這類問題。可以證明，當媒體接入控制(MAC)協(xié)議采用時分復用(TDMA)的方式時，NLM問

3、題是一個整數(shù)一凸函數(shù)混合優(yōu)化問題，通過將時隙上的整數(shù)約束放松至實數(shù)域取值，則整數(shù)-凸函數(shù)混合優(yōu)化問題將轉換為凸優(yōu)化問題。這個凸優(yōu)化問題綜合考慮了物理層、MAC層以及路由層協(xié)議對能量消耗的影響。本文將集中研究這個凸優(yōu)化問題，利用凸優(yōu)化理論的良好性質尋求解析地求解NLM問題的新途徑。取得的成果主要有： 1.提出了用KKT最優(yōu)性條件解析地求解凸優(yōu)化問題的新途徑，并針對各種拓撲無線傳感器網絡中的NLM問題導出了相應的KKT最優(yōu)性條件。

4、 2.在線性單源點單匯點(SSSS)拓撲無線傳感器網絡中，通過求解對應的KKT最優(yōu)性條件得到了該網絡拓撲下NL的解析全局最優(yōu)解及其最優(yōu)通信策略。 3.在線性多源點單匯點(MSSS)拓撲無線傳感器網絡中，通過固定路由和分解合并(D&C)解法兩種方式降低了原NLM問題的復雜度，利用對應的KKT最優(yōu)性條件求解得到了該網絡拓撲下NL的解析次優(yōu)解及其次優(yōu)通信策略。 4.在線性MSSS拓撲無線傳感器網絡中，從NL的定義出發(fā)，結

5、合相應的KKT最優(yōu)性條件，得到保證網絡中所有節(jié)點能量同時耗盡的緊的解析次優(yōu)解。此外，在節(jié)點發(fā)送速率極低的前提下，采用直接求解對應的KKT最優(yōu)性條件的方法得到該網絡拓撲NL的解析全局最優(yōu)解。 5.在平面SSSS拓撲無線傳感器網絡中，從NL的定義出發(fā)，結合相應的KKT最優(yōu)性條件，得到保證網絡中所有節(jié)點能量同時耗盡的緊的解析次優(yōu)解。 6.在平面MSSS拓撲無線傳感器網絡中，根據(jù)平面SSSS拓撲WSN的NL和相應次優(yōu)時隙和路由分