【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測,災(zāi)難預(yù)警,目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)上,傳感器節(jié)點由一次性電池供能,在目標(biāo)區(qū)域中完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理等工作。由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍很廣,人工更換電池需要很大的成本開銷,甚至在某些惡劣環(huán)境中無法實現(xiàn),所以在有限的能量下最大化網(wǎng)絡(luò)的工作壽命是一項重要的設(shè)計目標(biāo)。另一方面,隨著能量收集技術(shù)的發(fā)展,節(jié)點可以從外部環(huán)境獲取能量,如果能量消耗速率小于能量收集速率,理論上就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)工作。這時的設(shè)計目標(biāo)就是在能量可持續(xù)性下最大化網(wǎng)絡(luò)容量,也就是最大化節(jié)點的數(shù)據(jù)采集速率,使網(wǎng)絡(luò)獲得更多的信息。本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)供能方式的不同,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為以下三種不同的場景分別研究。每種場景的網(wǎng)絡(luò)有自己特定的能量策略,比如節(jié)點電量分配,能量收集速率分配和能量路由等。本文將對能量策略與路由進行聯(lián)合優(yōu)化,以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命或網(wǎng)絡(luò)容量的最大化。一,僅靠電池供電的傳統(tǒng)場景。本文提出了路由與節(jié)點電池電量分配的聯(lián)合優(yōu)化算法。通過合理規(guī)劃各節(jié)點的電池容量和路由,使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一定的總電量預(yù)算下達到最大壽命。本文在連續(xù)和離散兩種電量分配場景中分別建立優(yōu)化問題模型,并給出求解算法。在連續(xù)電量分配情況下,將原問題轉(zhuǎn)換為線性規(guī)劃問題并證明等價性。在離散電量分配場景中,將組合優(yōu)化問題松弛為連續(xù)優(yōu)化問題,并提出一種電池離散化算法,得到一組次優(yōu)的路由和相應(yīng)的離散電量分配方案。仿真顯示本文的方法在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和預(yù)算約束下均可顯著地延長網(wǎng)絡(luò)壽命。二,節(jié)點帶有能量收集裝置的場景。本文提出了一種路由與能量收集速率聯(lián)合優(yōu)化的算法。高規(guī)格的能量收集裝置有更高的能量收集速率,但是帶來更高的成本。算法通過規(guī)劃節(jié)點能量收集裝置的規(guī)格和路由,使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滿足預(yù)算約束下達到最大數(shù)據(jù)采集速率。算法將問題建模為一個組合優(yōu)化問題,并通過凸松弛和變量離散化算法,得到一組次優(yōu)結(jié)果,避免了高復(fù)雜度的窮舉遍歷。仿真結(jié)果表明,在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下該算法性能均優(yōu)于對比算法,可顯著增加網(wǎng)絡(luò)容量。三,節(jié)點間可進行無線能量傳輸?shù)膱鼍�。最新的能量協(xié)作技術(shù)使節(jié)點間可以無線傳輸能量,從而進一步提高網(wǎng)絡(luò)容量。在給定節(jié)點能量收集速率的前提下,本文對數(shù)據(jù)傳輸路由和能量傳輸路由進行聯(lián)合優(yōu)化,使網(wǎng)絡(luò)合理的進行能量協(xié)作以實現(xiàn)容量的最大化。對該聯(lián)合優(yōu)化問題,本文提出集中式處理和分布式處理兩種方案。集中式處理將該問題可以建模為一個線性規(guī)劃問題。在分布式處理中,本文借助投影次梯度算法提出了一種新的分布式優(yōu)化算法,使各節(jié)點通過與鄰居的數(shù)據(jù)交互求解出自己的數(shù)據(jù)路由和能量路由。數(shù)值仿真顯示了該聯(lián)合優(yōu)化的效果和分布式算法的收斂性能。
【圖文】：

著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模而改變，Ｗ保證平均每個節(jié)點的電量預(yù)算是１００Ｗ。除此之外，區(qū)域逡逑面積也會變化，Ｗ保證５組場景下節(jié)點密度保持為０．００８個／ｍ２。我們設(shè)最大傳逡逑輸半徑是３０ｍ，可選擇的電池規(guī)格是｛０，，５０，１００，２００，３００｝１＜．１，圖２．５顯示了不同算逡逑法的對比。注意所有的結(jié)果都與ＣＢＡＲ進行了歸一化，因為定理２．２已經(jīng)證明逡逑ＣＢＡ民給出了最優(yōu)解。ＣＬＰＳ的仿真選擇了邋ＣＢＡ民得到的路由O喖撲隳芏Х植跡義喜⑶醫(yī)懇恢值緋厝銜塹緋刈欏ｅ義希掊危齲洌猓幔潁椋懾義希耙邋蜽ＣＬ巧逡逑；ｉＵＢＡ逡逑準(zhǔn)0瓜邐二；ｌｙｉ蘭Ｊ逡逑很邋０．７＾邐－逡逑貌邐１逡逑X邋０．６－邐｜ｒ邐－逡逑ｆ邐Ｉ逡逑１邋０．５ｒ邐！邐－逡逑巧邋！邐；逡逑奮邋０邋４－邐ｇ邐－邐－逡逑ｂ「Ｍ邋Ｉ邋ｉ逡逑０．１．非．：邐，逡逑Ｊ邐：邐ｉ邋；邐ｉ逡逑Ｄ邋Ｎ＝２０Ｎ＝５０邐Ｎ＝１００邐Ｎ＝１邋饑邋Ｎ＝２００逡逑樹絡(luò)規(guī)棱逡逑圖２．６，不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下的性能比較逡逑圖２．６給出了邋Ｗ下五點事實。逡逑１）所有算法的性能都不如ＣＢＡ艮（歸一化壽命均小于１），因為在只有路由逡逑和電池分配策略可Ｗ調(diào)整的場景中，ＣＢＡ民己經(jīng)證明是最優(yōu)策略。而仿真再一次逡逑印證了定理２．２的結(jié)論。逡逑２７逡逑

圖４．１集中式處理示意圖逡逑
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：2561631