無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步演化模型與優(yōu)化控制策略研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的興起，給信息感知、信息處理、信息傳輸和信息應(yīng)用等技術(shù)帶來了革命性的變化。客觀上的物理世界與邏輯上的信息世界的融合將不再是夢想，從此人類社會與自然界的交互方式發(fā)生了翻天覆地的變化。近十年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSNs）已經(jīng)成為面向未來的信息技術(shù)研究中最受關(guān)注的研究方向之一。特別地，隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）概念在中國的提出，以及“感知中國”和“智慧地

2、球”等宏偉愿景共同構(gòu)建了信息化社會的美好藍(lán)圖，同時也為WSNs技術(shù)的未來發(fā)展指明了方向。
　　本文從實際應(yīng)用背景出發(fā)，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論將WSNs系統(tǒng)中的傳感器抽象為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，個體間的耦合作用、通信路徑抽象為邊。各種復(fù)雜耦合的WSNs系統(tǒng)都可以用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行描述，進(jìn)而可以在網(wǎng)絡(luò)體系框架下研究WSNs的動力學(xué)演化、同步行為及控制策略。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論受到了國內(nèi)外該領(lǐng)域的科研工作者們的廣泛關(guān)注，網(wǎng)絡(luò)科學(xué)也成為跨學(xué)科研究中最為活躍的領(lǐng)域之一

3、。網(wǎng)絡(luò)同步作為WSNs系統(tǒng)動力學(xué)機(jī)制中典型的集體行為和涌現(xiàn)現(xiàn)象，關(guān)系著諸多的實際問題，因而受到了廣泛而深入的研究。本文研究的重點是分析WSNs系統(tǒng)上同步行為的本質(zhì)因素，從而控制和優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的同步行為。首先，本文針對WSNs的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交互機(jī)制和耦合策略分別提出了兩種WSNs同步演化模型，分析其同步實現(xiàn)條件；其次，在演化模型的基礎(chǔ)上通過研究自適應(yīng)演化機(jī)制，和設(shè)計新型的控制策略來實現(xiàn)WSNs的同步；最后，通過對其控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)

4、對系統(tǒng)深層次的優(yōu)化，嘗試解決和優(yōu)化WSNs中傳感器節(jié)點的能量效率、網(wǎng)絡(luò)同步性能和可控性等部分問題。本文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）提出了WSNs的Poisson-適應(yīng)度動力學(xué)演化模型。
　　利用Poisson過程，研究WSNs中傳感器節(jié)點按照連續(xù)時間隨機(jī)增長的機(jī)制，提出一種新型的Poisson-適應(yīng)度演化模型。該模型中各個傳感器節(jié)點的適應(yīng)度依賴于時間的變化，并引入傳感器節(jié)點的能量分布，通過排隊理論分析模型中各節(jié)點的消亡；

5、然后，利用統(tǒng)計物理學(xué)的方法進(jìn)行理論解析和證明。并通過數(shù)值仿真結(jié)果表明，該動力學(xué)演化結(jié)構(gòu)能夠有效地延長WSNs系統(tǒng)的生存周期，并提高路由效率。
　?。?）提出了一種WSNs的耦合同步演化模型。
　　在耦合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究WSNs系統(tǒng)的同步，針對一致連結(jié)的WSNs模型，通過構(gòu)建Lyapunov函數(shù),給出該類傳感器網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)同步的一個判定準(zhǔn)則。在該耦合同步網(wǎng)絡(luò)模型中引入自適應(yīng)反饋控制策略，考慮時變耦合反饋增益，并證明了

6、此類網(wǎng)絡(luò)在該控制策略作用下總可以動態(tài)地實現(xiàn)同步。特別地，該控制策略對傳感器節(jié)點間的耦合強(qiáng)度和WSNs系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都具有較強(qiáng)的魯棒性。
　?。?）設(shè)計了一種WSNs的自適應(yīng)同步控制系統(tǒng)與優(yōu)化控制策略。
　　從控制學(xué)的角度來研究WSNs系統(tǒng)的自適應(yīng)同步控制系統(tǒng)，以此來提高WSNs系統(tǒng)的同步性能。針對同步能力較弱的WSNs拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其需要通過調(diào)整耦合強(qiáng)度才能夠?qū)崿F(xiàn)WSNs同步。自適應(yīng)同步控制被證明是一種有效的控制策略，其基本原理