本文關(guān)鍵詞：基于跨層設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《哈爾濱理工大學(xué)》 2008年

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

孫立新  

【摘要】： 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)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(GPCSA)。理論分析和仿真結(jié)果證明:這兩個(gè)算法能夠極大地改善系統(tǒng)傳輸有效性和公平性。 通過(guò)數(shù)學(xué)建模分析以及仿真測(cè)試,以上提出的算法,在一定的系統(tǒng)狀態(tài)下,能夠使系統(tǒng)資源的調(diào)度和路由鏈路選擇得到優(yōu)化,進(jìn)一步改進(jìn)了系統(tǒng)資源的有效性與公平性。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號(hào)】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

摘要5-7

Abstract7-16

第1章 緒論16-32

1.1 課題背景16-17

1.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀17-22

1.2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)18-21

1.2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中存在的問(wèn)題21-22

1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)基于跨層的資源優(yōu)化22-29

1.3.1 跨層優(yōu)化問(wèn)題提出22-25

1.3.2 基于機(jī)會(huì)調(diào)度的跨層設(shè)計(jì)25-27

1.3.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線鏈路接入機(jī)制27-28

1.3.4 分布式功率控制與路由28-29

1.3.5 聯(lián)合數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理的跨層設(shè)計(jì)29

1.4 本文的主要研究?jī)?nèi)容29-30

1.5 論文采用的研究方法30-32

第2章 基于跨層的資源優(yōu)化系統(tǒng)模型32-50

2.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化調(diào)度理論33-35

2.2 基于效益函數(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化35-41

2.2.1 系統(tǒng)效益的最大化35-38

2.2.2 系統(tǒng)效益函數(shù)38-41

2.3 基于跨層的WSN擁塞控制與調(diào)度41-49

2.3.1 基于效益函數(shù)的數(shù)學(xué)模型41-45

2.3.2 多跳分布式調(diào)度算法45-49

2.4 本章小結(jié)49-50

第3章 聯(lián)合路由與網(wǎng)內(nèi)計(jì)算的跨層設(shè)計(jì)50-69

3.1 系統(tǒng)條件假設(shè)51-52

3.2 系統(tǒng)模型建立52-58

3.2.1 模型描述52-54

3.2.2 問(wèn)題描述54-56

3.2.3 WSN多跳調(diào)度模型56-58

3.3 聯(lián)合路由與資源調(diào)度算法58-65

3.3.1 節(jié)點(diǎn)通信調(diào)度算法59-62

3.3.2 貪心的漸進(jìn)路由選擇62-63

3.3.3 節(jié)點(diǎn)路由選擇與通信調(diào)度63-65

3.4 性能分析65-67

3.5 本章小結(jié)67-69

第4章 聯(lián)合鏈路干擾與節(jié)點(diǎn)效益預(yù)測(cè)的資源調(diào)度69-93

4.1 OFDM接入方式子載波調(diào)度分析69-71

4.2 ON/OFF模型數(shù)據(jù)的時(shí)域相關(guān)性71-74

4.2.1 時(shí)域長(zhǎng)尾分布特性71-72

4.2.2 時(shí)域自相似特性72-73

4.2.3 無(wú)線信道相關(guān)特性73-74

4.3 多鏈路干擾下ON/OFF模型數(shù)據(jù)的時(shí)域分布74-83

4.3.1 多無(wú)線鏈路干擾分布74-76

4.3.2 多鏈路干擾下節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)時(shí)間相關(guān)性76-79

4.3.3 多鏈路干擾分布統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型79-83

4.4 聯(lián)合干擾統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)與最大節(jié)點(diǎn)效益選擇83-87

4.4.1 節(jié)點(diǎn)隊(duì)列和子載波狀態(tài)聯(lián)合預(yù)測(cè)83-85

4.4.2 最大節(jié)點(diǎn)效益選擇85-87

4.4.3 基于干擾預(yù)測(cè)的子載波分配87

4.5 性能分析87-92

4.5.1 仿真環(huán)境模型88

4.5.2 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)模型88

4.5.3 性能分析88-92

4.6 本章小結(jié)92-93

第5章 啟發(fā)式路由鏈路子載波選擇與鏈路控制93-111

5.1 最大化系統(tǒng)容量94-98

5.1.1 系統(tǒng)性能優(yōu)化分析94-95

5.1.2 路由傳輸容量最大化95-97

5.1.3 系統(tǒng)容量最大化存在性97-98

5.2 鏈路功率控制98-100

5.2.1 時(shí)間失效自動(dòng)放棄98-99

5.2.2 信干噪比淹沒(méi)自動(dòng)放棄99-100

5.3 聯(lián)合子載波選擇與功率控制100-107

5.3.1 最小功率遞增子載波選擇100-101

5.3.2 最少子載波占用選擇101-103

5.3.3 聯(lián)合啟發(fā)式子載波選擇與鏈路保護(hù)103-107

5.4 性能分析107-110

5.4.1 仿真環(huán)境107-108

5.4.2 結(jié)果及分析108-110

5.5 本章小結(jié)110-111

結(jié)論111-113

參考文獻(xiàn)113-124

攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文124-125

致謝125

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【相似文獻(xiàn)】

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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  本文關(guān)鍵詞：基于跨層設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：84857