超寬帶無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型的研究.pdf

1、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術是一種利用數(shù)Hz到數(shù)GHz的超帶寬、通過微弱的脈沖信號進行通信的無線通信技術。2002年2月，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)批準限用于軍事用途的超寬帶技術用于民用通信，在學術界、產(chǎn)業(yè)界掀起了UWB技術的研究熱潮。利用UWB技術特有的大頻帶寬度、高傳輸速率、低信號功率及噪音環(huán)境下的高處理增益等特點，建立以UWB為物理層技術

2、的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)就是其中的一個研究熱點。無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點分布密集，一條鏈路上信號功率的變化，極易對相鄰鏈路的信道容量產(chǎn)生影響。因此，網(wǎng)絡層上基于容量的路由問題與MAC層調度、物理層信號功率控制密切相關。即，無線傳感器網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸問題必須通過跨層(Cross-Layer)的方式予以解決。 近年來，國內外學者在無線傳感器網(wǎng)絡跨層優(yōu)化方面做了大量的研究，但是仍然存

3、在許多未解決的問題。本文在對國內外相關領域研究成果研究、分析的基礎上，對基于UWB技術的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化問題展開了較為系統(tǒng)的研究，主要研究工作及創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下幾個方面： (1) 構建了UWB無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型 跨層設計是提高無線傳感器網(wǎng)絡整體性能的一種有效方法。本文在綜合考慮MAC層調度、物理層信號功率控制、網(wǎng)絡層路由三方面因素的基礎上，結合UWB技術大頻帶寬度、低信號功率等特點，以實現(xiàn)網(wǎng)

4、絡最大數(shù)據(jù)傳輸速率為目標，構建了UWB無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型。仿真實驗結果表明，根據(jù)模型最優(yōu)解進行網(wǎng)絡配置可顯著提高網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率。這證明以構建、求解跨層優(yōu)化模型的方式，解決UWB無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸問題是切實可行的。 (2) 提出了一種基于UWB技術的網(wǎng)絡節(jié)點定位算法 由于UWB無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型的特殊性(非線性規(guī)劃模型)，本文將跨層優(yōu)化模型的求解安排在基站節(jié)點上進行，這就要求基站節(jié)點

5、必須掌握網(wǎng)絡全局拓撲信息。為滿足這一要求，本文利用UWB技術特有的精確測距功能，提出了一種不依賴GPS的UWB無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點定位算法。該算法利用UWB技術的精確測距功能，獲得網(wǎng)絡中一跳鄰居節(jié)點間距離信息；然后，根據(jù)一定約束條件，在網(wǎng)絡中選取若干基節(jié)點，建立以基節(jié)點為坐標原點的基節(jié)點坐標系，確定各節(jié)點在所屬基節(jié)點坐標系中的坐標。在此基礎上，通過不同坐標系的坐標變換，建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡坐標系，最終確定整個網(wǎng)絡的物理拓撲。該算法為高效實現(xiàn)網(wǎng)絡

6、基本功能，如路由、網(wǎng)絡管理等提供了可能，適用于無線傳感器網(wǎng)絡或節(jié)點運動變化較小的Ad Hoc網(wǎng)絡。 (3) 建議了一種大規(guī)模UWB無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方案 本文提出的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸方案建立在跨層優(yōu)化模型仿真實驗結果及模型約束條件對優(yōu)化結果影響作用詳細分析的基礎上，方案包括以下三個階段：①利用網(wǎng)絡節(jié)點定位算法，獲得網(wǎng)絡物理拓撲；②特定事件發(fā)生時，選取探測區(qū)域中適當節(jié)點為“基站”節(jié)點，在探測區(qū)域中求解跨層優(yōu)化模型

7、；③根據(jù)實際應用的需求，以減少優(yōu)化模型約束條件、變量數(shù)量為目標，對模型約束條件作適當調整，在整個網(wǎng)絡拓撲中第二次求解跨層優(yōu)化模型。上述求解過程中，如果每一次求解均得到可行解，則源節(jié)點生成的傳感數(shù)據(jù)能夠成功地轉發(fā)到基站節(jié)點。采用上述數(shù)據(jù)傳輸方案，雖然增加了模型的求解次數(shù)，但每次求解模型時涉及的節(jié)點數(shù)量明顯減少，這一方面降低了模型的求解難度，另一方面還可以充分利用小規(guī)模網(wǎng)絡跨層優(yōu)化模型的已有研究成果，避免優(yōu)化模型及相關程序代碼的二次開發(fā)。

8、 (4) 研究并實驗驗證了基站可接收最大數(shù)據(jù)速率 通過仿真實驗分析了基站節(jié)點與其一跳鄰居節(jié)點相互位置關系對優(yōu)化模型目標函數(shù)值的影響，得到以下結論：基站節(jié)點的數(shù)據(jù)接收能力與其一跳鄰居節(jié)點數(shù)量、分布位置等因素密切相關。在上述實驗結果的啟發(fā)下，論文對基站可接收最大數(shù)據(jù)速率問題展開了深入細致的研究分析，并對分析結果進行了仿真實驗驗證。 本文對UWB無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化問題進行了較為系統(tǒng)、深入的研究，建議了一種大規(guī)