無(wú)線多接入網(wǎng)絡(luò)中能量有效的傳輸調(diào)度研究.pdf

1、本世紀(jì)以來(lái)興起了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域--無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特征是資源嚴(yán)格受限,特別是能量受限,所以低能耗應(yīng)作為其主要的設(shè)計(jì)原則。降低傳感器節(jié)點(diǎn)能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命涉及幾個(gè)方面,其中以降低數(shù)據(jù)傳輸能耗、優(yōu)化傳輸調(diào)度為主要因素。因?yàn)闊o(wú)線多接入信道是傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種重要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式,無(wú)線多接入信道上降低能耗的傳輸調(diào)度問(wèn)題則顯得尤為重要。本文將綜合、交叉地運(yùn)用信息論、調(diào)度理論

2、等學(xué)科所發(fā)展的思想、方法和結(jié)果研究無(wú)線多接入網(wǎng)絡(luò)中能量有效的傳輸調(diào)度問(wèn)題。主要從以下4個(gè)方面展開(kāi)了深入的研究,概括如下:
　　 本文研究了用戶發(fā)送功率受限時(shí),高斯多接入信道中能量最優(yōu)的傳輸調(diào)度問(wèn)題。首先,用數(shù)學(xué)歸納法證明在多接入信道中降低用戶發(fā)送功率、延長(zhǎng)數(shù)據(jù)采集完成時(shí)延,可降低數(shù)據(jù)采集的總能耗。得到最優(yōu)功率控制策略后,通過(guò)分析多接入信道容量擬陣多面體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),證明多接入信道上的最優(yōu)速率分配可由控制接收端對(duì)用戶的逐次譯碼次序?qū)?/p>

3、現(xiàn)。這樣,高斯多接入信道中的速率分配問(wèn)題可以看做任務(wù)調(diào)度問(wèn)題,因?yàn)檫@兩類(lèi)問(wèn)題都?xì)w結(jié)為一種排序問(wèn)題。進(jìn)而,我們引入任務(wù)調(diào)度中成熟有效的調(diào)度策略來(lái)解決高斯多接入信道中最優(yōu)速率分配問(wèn)題。對(duì)于對(duì)稱的多接入傳感網(wǎng)絡(luò),提出了一種最優(yōu)的調(diào)度策略,該策略不僅可以最小化數(shù)據(jù)采集總延遲,而且能夠最小化數(shù)據(jù)采集總能耗。對(duì)于非對(duì)稱的多接入傳感網(wǎng)絡(luò),提出了一種降低總能耗的啟發(fā)式速率分配算法。這種算法在進(jìn)行速率分配時(shí)不但考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包隊(duì)列長(zhǎng)度信息,而且考

4、慮了傳感器節(jié)點(diǎn)不同的信道狀況。
　　 本文研究了給定用戶傳輸速率情況下,高斯多接入信道中的min-max公平的功率分配方法。首先,對(duì)min-max公平點(diǎn)進(jìn)行幾何分析,利用min-max公平與辭序最優(yōu)性質(zhì)之間的聯(lián)系,證明了反擬陣多面體控制面上的min-max公平點(diǎn)的幾何性質(zhì):反擬陣多面體中min-max公平點(diǎn)就是控制面上距離等功率分配點(diǎn)的最近的點(diǎn)。由反擬陣多面體中min-max公平點(diǎn)的幾何性質(zhì),高斯多接入信道中min-max公平的

5、功率分配問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為計(jì)算實(shí)現(xiàn)min-max公平策略的頂點(diǎn)時(shí)分復(fù)用系數(shù)的凸優(yōu)化問(wèn)題。按照所得的時(shí)分復(fù)用系數(shù)來(lái)時(shí)分傳輸,即可實(shí)現(xiàn)高斯多接入信道中min-max公平的功率控制。將min-max公平調(diào)度應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),可有效平衡傳感器節(jié)點(diǎn)之間的能耗,延長(zhǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 本文提出了一種計(jì)算可實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)用戶功率/碼率配置的碼率分裂多接入系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)用算法。實(shí)現(xiàn)多接入信道容量區(qū)內(nèi)的任意可達(dá)速率向量(容量擬陣多面體內(nèi)的任意一點(diǎn)),一般

6、有三種方法:頂點(diǎn)時(shí)分復(fù)用傳輸、多用戶聯(lián)合編譯碼和碼率分裂多接入。相對(duì)于時(shí)分復(fù)用頂點(diǎn)和多用戶聯(lián)合編譯碼來(lái)說(shuō),碼率分裂多接入的方法不但對(duì)系統(tǒng)同步要求低,而且可以減少編碼開(kāi)銷(xiāo),僅用單用戶編碼結(jié)合接收端的逐次譯碼就可以實(shí)現(xiàn)。然而至今還沒(méi)有一種實(shí)用的算法計(jì)算碼率分裂的系統(tǒng)參數(shù),這使得對(duì)碼率分裂多接入技術(shù)的研究一直處于理論分析階段。本文提出的實(shí)用算法可有效計(jì)算碼率分裂系統(tǒng)參數(shù),在用戶的功率/碼率配置和系統(tǒng)參數(shù)之間建立確定性映射,這使得碼率分裂多接入

7、技術(shù)在實(shí)際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。利用碼率分裂多接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)所提出的公平有效的多接入傳輸調(diào)度策略,在減少編碼開(kāi)銷(xiāo)的同時(shí),降低系統(tǒng)對(duì)同步的要求。
　　 本文研究了平均每數(shù)據(jù)包延遲約束下,最小化數(shù)據(jù)包傳輸能耗的TDMA傳輸調(diào)度問(wèn)題。實(shí)際的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大多采用基于正交傳輸機(jī)制的多接入?yún)f(xié)議,其中TDMA作為一種簡(jiǎn)單有效的多接入方式被普遍采用。為了在TDMA系統(tǒng)中降低傳輸能耗,我們首先將最優(yōu)調(diào)度過(guò)程建模為離散時(shí)間馬爾科夫決策過(guò)程。然后