基于对偶理论的无线传感器网络节能优化算法研究

【摘要】： 无线传感器网络融合通信、传感器、自动控制、系统优化等多学科技术,作为一种有效的状态感知、信息采集和目标跟踪的工具,应用前景十分广泛,日益成为国内外研究的热点。虽然无线传感器网络在众多领域中表现出优越的应用性能,但同时也面临很多新的问题和挑战需要去解决。其中,最大的问题莫过于如何能在能源有限的无线传感器网络中,以有效的方式使用系统资源以延长整个网络的生存时间。 本文基于对偶优化理论,主要从路由协议设计和速率控制两个方面对无线传感器网络节能问题进行研究。 论文第一部分针对无线传感器网络中节点发送数据的冗余性,主要研究了基于数据融合技术路由协议设计问题。引入数据融合率的概念来定义传感器节点的数据融合能力,提出了一种新的基于数据融合的能量有效的路由算法,来寻求链路流量在网络上的最佳分配方案以最大化网络寿命。将该问题转化为线性优化模型,采用对偶算法求得最优解,设计了分布式的主对偶算法。该算法能够有效降低数据通信量,均衡节点间能量消耗,延长网络的生存时间。 网络寿命和应用性能是无线传感器网络协议设计中两个极为重要而又互相冲突的设计目标。因此,论文第二部分主要对网络寿命最大化和应用性能最大化之间的折衷关系进行研究。本文采用网络效用最大化框架来描述传感器节点采集信息量的多少,作为衡量网络应用性能的一个评价指标。通过引入折衷因子,建立网络效用和网络寿命最大化的组合优化模型。针对此问题,利用原-对偶方法对优化问题进行求解,设计了分布式的最优速率控制算法。仿真结果表明,通过调节折衷因子,可以在网络性能和能耗之间取得平衡。 【关键词】：无线传感器网络 网络寿命 数据融合 网络效用 最优化 原-对偶法 分布式
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 本课题的研究背景和意义10-11
• 1.2 研究动机11-13
• 1.2.1 基于数据融合的路由协议优化算法11-12
• 1.2.2 网络效用和网络寿命折衷优化的速率控制算法12-13
• 1.3 论文结构安排13-14
• 第2章 网络节能研究概况及原-对偶方法14-24
• 2.1 传感器节点组成及能耗分析14-15
• 2.2 传感器网络节能研究概况15-21
• 2.2.1 基于硬件设计的节能技术15-16
• 2.2.2 基于休眠调度机制的节能技术16-17
• 2.2.3 基于功率控制的节能技术17
• 2.2.4 基于路由的节能技术17-20
• 2.2.5 基于数据融合的节能技术20-21
• 2.3 主要性能评价指标21-22
• 2.4 原-对偶优化方法22-23
• 2.4.1 凸优化问题22
• 2.4.2 原-对偶算法22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 基于数据融合的传感器网络寿命最优路由算法24-38
• 3.1 引言24-25
• 3.2 模型建立25-27
• 3.2.1 差异化加权数据融合机制25-26
• 3.2.2 能量约束路由问题的数学模型26-27
• 3.3 基于数据融合的路由优化算法27-31
• 3.3.1 对偶方法求解优化问题27-29
• 3.3.2 算法描述29-31
• 3.4 数值仿真31-36
• 3.4.1 节点能量消耗模型31-32
• 3.4.2 仿真实验及分析32-36
• 3.5 本章小结36-38
• 第4章 传感器网络速率控制中效用-寿命折衷优化研究38-52
• 4.1 引言38
• 4.2 模型描述38-40
• 4.2.1 网络效用最优模型39
• 4.2.2 能量消耗和网络寿命最优模型39-40
• 4.3 网络效用和网络寿命的折衷40-45
• 4.3.1 单路径路由网络41-43
• 4.3.2 多路径路由网络43-45
• 4.4 数值仿真45-51
• 4.4.1 算法收敛性分析45-48
• 4.4.2 网络效用和网络寿命折衷分析48
• 4.4.3 单路径与多路径算法性能比较48-49
• 4.4.4 权值对速率控制的影响49-51
• 4.5 本章小结51-52
• 结论52-53
• 参考文献53-59
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果59-60
• 致谢60-61
• 作者简介61

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