【摘要】：無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN)是由具有信息感知能力的小型傳感器節(jié)點通過無線通信方式構成的一個自組織網絡系統(tǒng)。目前部署與應用無線傳感器網絡所面臨的主要問題是傳感器節(jié)點能量和通信資源的受限,以及惡劣無線通信環(huán)境中路徑損耗和信道衰落對數據傳輸性能的影響。同時,隨著人們對無線傳感器網絡數據傳輸服務質量(Quality-of-Service,Qo S)日益增長的需求,亟需采用一種更加高效的無線數據傳輸技術,在盡可能使用無線傳感器網絡原有資源的基礎上,提高數據傳輸可靠性,擴大通信覆蓋區(qū)域,提升數據傳輸質量,降低節(jié)點通信能耗,延長網絡生命周期。無線協作傳輸技術作為改善和提高無線傳輸性能的一種有效手段,通過借助協作節(jié)點中繼轉發(fā)無線數據信號,共享彼此通信資源,可在擴大數據通信覆蓋范圍的同時,為數據發(fā)送節(jié)點和數據接收節(jié)點之間建立多條相互獨立的數據傳輸鏈路,增加數據信號的“副本”數量,從而獲得數據傳輸的分集增益,降低數據信號傳輸的錯誤率,可在不增加數據信號發(fā)送功率的情況下改善數據傳輸質量,顯著提升數據傳輸的能效性。將無線協作傳輸技術應用于無線傳感器網絡,可有效克服無線通信環(huán)境中路徑損耗和信道衰落對數據傳輸帶來的負面影響,為無線傳感器網絡中高質量、低能耗的數據傳輸提供一個行之有效的解決方案。本文主要圍繞著無線傳感器網絡中協作傳輸技術展開,主要研究內容與成果如下:(1)研究了無線傳感器網絡中多傳感器節(jié)點分布式協作傳輸模型,提出了一種基于數據傳輸Qo S最大化的分布式協作傳輸算法。該算法以信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)作為數據傳輸Qo S評價指標,建立了Qo S最大化準則下的協作傳輸優(yōu)化方程;推導出了各協作節(jié)點的最優(yōu)功率權系數,以及數據發(fā)送節(jié)點與協作節(jié)點功率分配系數的近似最優(yōu)解;同時,推導出了非對稱衰落信道下采用所提算法得到的協作傳輸鏈路平均誤符號率的近似表達式及其漸進解的理論表達式,為算法的性能分析與評估提供了理論依據。仿真結果表明,所提算法可顯著提升傳感器節(jié)點間數據傳輸的能效性。(2)研究了基站輔助中繼下的無線傳感器網絡協作傳輸模型,提出了一種數據傳輸Qo S最大化準則下的基站輔助協作傳輸優(yōu)化算法。該算法采用SNR評估數據傳輸Qo S性能,建立了基于Qo S最大化準則的協作傳輸優(yōu)化方程;推導出了基站處的數據協作傳輸最優(yōu)功率權矩陣,以及數據發(fā)送節(jié)點與基站之間的最優(yōu)功率分配系數;此外,為了對所提算法性能進行定量分析,推導出了非對稱衰落信道下的中斷概率、遍歷容量和平均誤符號率等主要無線傳輸性能指標的理論分析表達式。仿真實驗表明了所提算法的有效性。(3)分析了存在干擾情況下的無線傳感器網絡分布式協作傳輸模型,提出了一種基于支持向量機(Support Vector Machine,SVM)的協作傳輸干擾抑制策略。該策略主要針對協作傳輸鏈路信道狀態(tài)信息樣本有限的情況,以信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)作為數據傳輸Qo S評價指標,構建了以協作節(jié)點總功率最小化為目標函數,數據傳輸鏈路SINR和鏈路間干擾功率為約束條件的協作傳輸干擾抑制優(yōu)化方程;由于優(yōu)化問題的非凸性,通過對約束條件的簡化,將該優(yōu)化方程轉化為標準的SVM回歸機模型,并通過二次規(guī)劃(Quadratic Programming,QP)技術求解各協作節(jié)點的干擾抑制權系數;此外,考慮到大樣本情況下QP計算復雜度較高,我們同時采用了迭代加權最小二乘支持向量機(Iterative Reweighted Least-Squares,IRWLS)算法對化簡后的優(yōu)化方程進行求解。仿真結果表明所提策略可對數據傳輸鏈路之間的互干擾進行有效抑制,保證了數據信號的傳輸質量。(4)針對基站輔助中繼下的無線傳感器網絡協作傳輸下行鏈路互干擾問題,提出了一種基于最小二乘支持向量機(Least-Squares Support Vector Machine,LS-SVM)的干擾抑制策略。該策略以數據鏈路SINR作為衡量數據傳輸Qo S性能的依據,在數據傳輸鏈路信道狀態(tài)信息樣本有限的情況下,建立了以協作傳輸功率最小化為目標函數,數據傳輸鏈路SINR和鏈路間干擾功率為約束條件的協作傳輸干擾抑制優(yōu)化方程;通過對約束條件的近似化簡將優(yōu)化問題轉換為了標準LS-SVM回歸機模型,并采用迭代方法降低了LS-SVM算法中逆矩陣求解的計算復雜度。仿真結果顯示所提策略可有效抑制數據傳輸鏈路之間的互干擾,驗證了所提干擾抑制策略的有效性。(5)針對無線傳感器網絡中基站與移動用戶距離較遠的情況,提出了一種無人飛行器(Unmanned Aerial Vechile,UAV)輔助中繼協作傳輸策略。該策略采用SNR最大化準則,首先推導出了基站與移動用戶處的最優(yōu)數據收發(fā)權向量,獲得了任意時刻下協作傳輸鏈路的最優(yōu)性能;其次,根據Dubin運動模型,給出了UAV航向角更新公式,可使UAV及時調整飛行航跡以最大化任務時間內的中繼協作傳輸性能。仿真結果顯示所提策略得到的UAV飛行航跡與窮舉搜索法得到的最優(yōu)結果十分近似,表明了所提策略的有效性。
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【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TP212.9;TN929.5

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 俞靚;王志波;駱吉安;孫喜策;王智;;面向移動目標追蹤的無線傳感器網絡QoS指標體系設計[J];計算機學報;2009年03期

2 朱劍;趙海;徐久強;李大舟;;無線傳感器網絡中的定位模型[J];軟件學報;2011年07期

3 孫超;尹榮榮;郝曉辰;竇晶晶;劉彬;;異構無線傳感器網絡支配集拓撲控制算法[J];軟件學報;2011年09期

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本文編號：2466312