無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層擁塞控制優(yōu)化算法研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)集成了傳感器、微機(jī)電、現(xiàn)代計(jì)算和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，由于其巨大的應(yīng)用前景成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的根本任務(wù)是快速準(zhǔn)確獲取物理世界中有價(jià)值的信息。但無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力有限，特別是電源能量十分有限的問題。本文就無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要包括擁塞控制、路由協(xié)議、調(diào)度等問題。研究的主要目的是為了優(yōu)

2、化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量、提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量負(fù)載均衡性、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期以及提高網(wǎng)絡(luò)的安全性和保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性。
　　本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，打破傳統(tǒng)層與層之間原則的限制，以跨層設(shè)計(jì)的理念為主線，討論了擁塞、路由、調(diào)度和能量消耗問題，提出若干優(yōu)化算法，主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　(1)根據(jù)控制理論中的滑模變結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞問題，分別提出幾種跨層擁塞算法。
　　在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)級(jí)擁塞

3、和鏈路級(jí)擁塞同時(shí)發(fā)生的情況下，引入滑模變結(jié)構(gòu)機(jī)制，提出相應(yīng)的擁塞控制算法。鏈路級(jí)擁塞采取節(jié)點(diǎn)輸出流量最小的數(shù)據(jù)包優(yōu)先傳輸?shù)脑瓌t;節(jié)點(diǎn)級(jí)擁塞利用主動(dòng)隊(duì)列管理方法實(shí)現(xiàn)擁塞控制。所設(shè)計(jì)的控制器使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)局部的擁塞狀態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率，同時(shí)自適應(yīng)的分配MAC信道，利用Lyapunov函數(shù)證明了算法的有效性。
　　針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性模型難以建立的問題，引入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)理論。首先對(duì)WSNs基于I/O的非線性模型進(jìn)行線性化處理。然后

4、針對(duì)線性化模型，研究WSNs跨層擁塞控制算法:節(jié)點(diǎn)根據(jù)局部的擁塞狀態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送速率，從而緩解節(jié)點(diǎn)級(jí)擁塞;如果多個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)包同時(shí)占用一個(gè)信道，采取節(jié)點(diǎn)輸出流量小的數(shù)據(jù)包優(yōu)先占用該信道，其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包避讓選擇其他信道的原則，避免了鏈路級(jí)擁塞。所設(shè)計(jì)的控制器實(shí)現(xiàn)了MAC層和傳輸層同時(shí)進(jìn)行擁塞控制的目的，有效地緩解擁塞的發(fā)生，保證了較高的吞吐量和較低的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。
　　(2)引入壓縮感知技術(shù)，就無(wú)線傳感器

5、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種跨層擁塞控制算法。主要研究節(jié)點(diǎn)級(jí)擁塞和鏈路級(jí)擁塞同時(shí)發(fā)生時(shí)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層擁塞控制問題。對(duì)進(jìn)入瓶頸節(jié)點(diǎn)的稀疏信號(hào)進(jìn)行壓縮，降低瓶頸節(jié)點(diǎn)處傳輸量;在即將結(jié)束瓶頸傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)處利用凸優(yōu)化方法進(jìn)行信號(hào)的重構(gòu)，恢復(fù)原始信號(hào)。利用Lyapunov函數(shù)驗(yàn)證了算法的有效性。該控制算法實(shí)現(xiàn)傳輸層和MAC層同時(shí)進(jìn)行擁塞控制的目的，并且能夠有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的同時(shí)大大地節(jié)省能耗，保證了較高的吞吐量和較低的丟包。
　　(3)基于壓縮感知理論

6、，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞問題提出一種跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)算法。設(shè)計(jì)目的是通過(guò)優(yōu)化模型實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)輸入、路由選擇和能量分配的跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。Lagrange函數(shù)分解成三部分:擁塞控制、路由算法和調(diào)度算法。為實(shí)現(xiàn)全局穩(wěn)定，這些函數(shù)通過(guò)擁塞率相互影響并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整?；趬嚎s感知技術(shù)的擁塞控制能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)的傳輸信號(hào)控制到最優(yōu)。路由選擇遵循公平資源分配原則，在不會(huì)引起更嚴(yán)重的擁塞的情況下，盡可能分配給信道更多的資源，這樣可以避免為了解決擁塞而保守的降低資源分

7、配，造成資源利用率低的后果。該算法在不影響網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的前提下，極大地降低網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定，同時(shí)也證實(shí)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中考慮擁塞的必要性。
　　(4)針對(duì)現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)壓縮快速性和公平信道分配的問題，提出了一種基于壓縮感知技術(shù)的快速跨層優(yōu)化算法。利用擁塞率從兩個(gè)方面探討能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞問題:最小的傳輸量和最大的信息傳輸。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，尋求解決問題的折中方法，提出三

8、個(gè)協(xié)議:第一，基于壓縮感知設(shè)計(jì)最小的控制輸入信號(hào)，最小的信號(hào)有助于降低傳輸數(shù)據(jù)量，從而緩解擁塞。第二，在不會(huì)引起更嚴(yán)重的擁塞的情況下，盡可能分配給信道更多的資源，這樣可以避免為了解決擁塞而保守的降低資源分配，造成資源利用率低的后果。信道選擇協(xié)議遵循公平分配資源的原則。上述協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和MAC層通過(guò)擁塞率相互影響。并且在數(shù)據(jù)傳輸前，采用隨機(jī)結(jié)構(gòu)矩陣方法構(gòu)造感知矩陣，對(duì)傳輸信號(hào)進(jìn)行快速壓縮，極大地減少了數(shù)據(jù)通信量的同時(shí)，壓縮數(shù)據(jù)的時(shí)

9、間也縮短。在數(shù)據(jù)到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，采用的Homotopy方法降低迭代次數(shù)，從而縮短重構(gòu)的時(shí)間。該算法具有較低的丟包率、較高的鏈路利用率、良好的節(jié)能性并加快擁塞緩解的速度，能夠很好地抑制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞現(xiàn)象。
　　(5)針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量受限的問題，基于壓縮感知思想，提出一種跨層優(yōu)化算法。首先給出基于擁塞率的誤碼控制策略;然后基于壓縮感知技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)控制輸入和鏈路容量的優(yōu)化方法，優(yōu)化問題的解就是控制輸入和鏈路