基于跨層的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度與路由算法研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由選擇和鏈路資源分配是一個(gè)聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，有效解決該問(wèn)題的方法是采用聯(lián)合物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)路所具有的節(jié)點(diǎn)能量受限特性以及鏈路間干擾，使得實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)成為條件受限的非線性優(yōu)化問(wèn)題。本文根據(jù)最大化效益理論，首先，對(duì)影響系統(tǒng)目標(biāo)優(yōu)化的分集特性理論進(jìn)行了分析，其中包括：頻率選擇型分集、地點(diǎn)分集、時(shí)間分集以及成員節(jié)點(diǎn)隊(duì)列分集。然后，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用自組織分群的管理機(jī)制所需涉及的資源分配

2、和路由節(jié)點(diǎn)選擇問(wèn)題，利用最大系統(tǒng)效益函數(shù)建立了聯(lián)合路由選擇和鏈路資源分配的跨層優(yōu)化模型，并對(duì)優(yōu)化過(guò)程中需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題，提出了針對(duì)性有效實(shí)現(xiàn)算法。 通過(guò)系統(tǒng)性的整體分析可以得出：由于路由鏈路傳輸性能決定于鏈路信道的質(zhì)量，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由鏈路建立及鏈路資源調(diào)度問(wèn)題具有相互影響特點(diǎn)。根據(jù)最大系統(tǒng)效益理論，建立了基于最大總體效益函數(shù)值的系統(tǒng)資源優(yōu)化模型。利用效益函數(shù)，推導(dǎo)出有效的相關(guān)因素?cái)?shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算方程。此外，設(shè)計(jì)

3、了能夠?qū)崿F(xiàn)路由鏈路資源分配公平性的效益函數(shù)集，改善了系統(tǒng)資源調(diào)度整體性能。該系統(tǒng)模型的建立為后續(xù)問(wèn)題的解決提供了理論分析依據(jù)。 根據(jù)有向圖理論，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)現(xiàn)有效路由選擇機(jī)制的具體解決方法進(jìn)行了分析。針對(duì)該問(wèn)題所需要的資源利用有效性問(wèn)題，在節(jié)點(diǎn)能量受限條件下，提出了一種基于聯(lián)合物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的跨層資源分配方案，并設(shè)計(jì)了基于局部分群管理的路由機(jī)制。采用所提出的分群路由管理方式，極大地減少了每個(gè)群內(nèi)的成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算和

4、傳輸任務(wù)(包括路由選擇)所需的資源開銷，較大程度的減少了大量成員節(jié)點(diǎn)的負(fù)載量，有效降低了成員節(jié)點(diǎn)能耗，在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)下，都能夠使系統(tǒng)具有較高的資源分配有效性。 針對(duì)基于OFDM接入的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由鏈路頻率調(diào)度問(wèn)題，理論分析了影響系統(tǒng)優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)主要因素：同頻鏈路干擾分集和成員節(jié)點(diǎn)隊(duì)列分集。根據(jù)理論分析結(jié)果，提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)子載波分配算法。通過(guò)對(duì)同頻鏈路干擾因素的時(shí)間分布相關(guān)性預(yù)測(cè)，該算法確定了有效分配子載波的統(tǒng)計(jì)周

5、期間隔，能夠?yàn)镺FDM無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)群內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)提供較好的路由鏈路傳輸性能。 時(shí)變的同頻鏈路間干擾導(dǎo)致了鏈路的不穩(wěn)定性，使采用子載波復(fù)用的OFDM無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量最大化問(wèn)題具有較高的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。為解決該問(wèn)題，通過(guò)對(duì)基于時(shí)間失效的自動(dòng)放棄策略和基于信噪比淹沒(méi)的自動(dòng)放棄策略進(jìn)行研究，提出了一種基于啟發(fā)式搜索的子載波分配算法(DSA)。為進(jìn)一步改進(jìn)全局公平性，對(duì)DSA算法采取了全局公平性控制機(jī)制，提出了全局公平調(diào)度算法(GPCS