網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)中WSN幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的研究.pdf

1、以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了各種分布式新型應(yīng)用系統(tǒng)的演進(jìn)和發(fā)展。測(cè)控網(wǎng)絡(luò)這種開(kāi)放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的應(yīng)用于制造、監(jiān)控、自動(dòng)化的底層網(wǎng)絡(luò)的加入，使原本獨(dú)立發(fā)展的信息網(wǎng)和測(cè)控網(wǎng)，正在越來(lái)越深入地融合為一體，網(wǎng)絡(luò)從而成為一種包羅萬(wàn)象的綜合技術(shù)平臺(tái)，催生了大量新概念和新的應(yīng)用模式。以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為感知手段，基于網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是其中引起廣泛關(guān)注，極具生命力的代表． 網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著測(cè)控服務(wù)

2、現(xiàn)場(chǎng)化、遠(yuǎn)程化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化的任務(wù)，是近年來(lái)非?；钴S的熱點(diǎn)領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容極其豐富．本文簡(jiǎn)要介紹了相關(guān)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本框架與問(wèn)題充分了解的基礎(chǔ)上，集中研究了提高WSN節(jié)點(diǎn)信號(hào)調(diào)理質(zhì)量的無(wú)漂移濾波器技術(shù)、有效延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命、具有能量有效性的最低能量保護(hù)分簇新算法和新的協(xié)議機(jī)制及基于對(duì)策論框架的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)通信節(jié)點(diǎn)功率控制策略等具有共性的基礎(chǔ)問(wèn)題。主要內(nèi)容包括： (

3、1)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知精度以傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊獲取的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量為基礎(chǔ).承擔(dān)傳感器信號(hào)前置放大、濾波、去噪功能的信號(hào)調(diào)理電路是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，也是設(shè)計(jì)中最為困難的環(huán)節(jié)．在WNS廣泛應(yīng)用的海洋監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、土建、生物醫(yī)學(xué)和電化學(xué)等領(lǐng)域的低頻微弱信號(hào)傳感、檢測(cè)系統(tǒng)中，系統(tǒng)靈敏度常達(dá)μV甚至nV量極，這時(shí)漂移是同噪聲一樣嚴(yán)重的問(wèn)題。本文研究了建立原理上無(wú)信道附加漂移的新型有源低通濾波系統(tǒng)理論及實(shí)現(xiàn)方法，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、靈敏度分析、

4、與傳統(tǒng)有源低通濾波器的比較、參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和算法設(shè)計(jì)等，致力于解決傳統(tǒng)低通濾波器抑制噪聲的同時(shí)引起附加漂移的矛盾，簡(jiǎn)化傳感與檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高WSN節(jié)點(diǎn)信號(hào)調(diào)理質(zhì)量并降低系統(tǒng)成本。 (2)能量有效性是WSN的研究重點(diǎn)，涉及到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)層面。簡(jiǎn)單、靈活、能量高效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂剖潜妒苤匾暤慕鉀Q方案之一。本文對(duì)已有的主要拓?fù)淇刂扑惴ㄟM(jìn)行了探討，重點(diǎn)研究經(jīng)典的LEACH分簇協(xié)議存在的問(wèn)題與改進(jìn)方案，致力于建立有效延長(zhǎng)無(wú)線傳感器

5、網(wǎng)絡(luò)壽命，具有能量有效性的拓?fù)淇刂菩滤惴ê托碌膮f(xié)議機(jī)制。 (3)將對(duì)策論引入WSN領(lǐng)域，研究了對(duì)策論框架下的分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)功率控制問(wèn)題，致力于為功率分配的中心化控制和非中心化控制提供一個(gè)新的分析框架，促使節(jié)點(diǎn)優(yōu)化其關(guān)于資源利用的評(píng)價(jià)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)簇的能量有效性最大化而達(dá)成系統(tǒng)最優(yōu)。 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新如下： (一)提出了任意階無(wú)漂移全極點(diǎn)有源低通濾波器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，性能分析到參數(shù)優(yōu)化的完整理論和方法

6、。導(dǎo)出了它的最簡(jiǎn)形式，證明在WSN節(jié)點(diǎn)中無(wú)需高品質(zhì)濾波放大器，提高了節(jié)點(diǎn)信號(hào)調(diào)理質(zhì)量并降低了系統(tǒng)成本。其要點(diǎn)是： (1)引入了無(wú)漂移濾波的概念，提出無(wú)漂移基本節(jié)電路，并推廣到任意階全極點(diǎn)有源低通濾波系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的低通濾波器相比切實(shí)具有良好的低漂移、低元件靈敏度特性．解決了傳統(tǒng)低通濾波器抑制噪聲的同時(shí)引起附加漂移的矛盾，適于WSN節(jié)點(diǎn)高性能和低成本的要求． (2)提出了一種無(wú)漂移全極點(diǎn)有源低通濾波器ω和Q敏度的分析方法，并

7、驗(yàn)證了其正確性。可以此方法簡(jiǎn)便的求解系統(tǒng)的ω和Q靈敏度，進(jìn)而調(diào)整電路參數(shù)直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對(duì)一般的濾波器靈敏度問(wèn)題，該方法普遍成立。 (3)證明系統(tǒng)總的Schoeffler多參數(shù)靈敏度與設(shè)計(jì)中自由變量的取值無(wú)關(guān)。并據(jù)此導(dǎo)出了無(wú)漂移有源低通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)形式，使得計(jì)算公式大為簡(jiǎn)化，同時(shí)使元件種類減少一半。 (4)根據(jù)統(tǒng)計(jì)靈敏度測(cè)度的定義，通過(guò)理論推導(dǎo)提出了對(duì)任意階無(wú)漂移全極點(diǎn)有源低通濾波系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)靈敏度進(jìn)行優(yōu)化的方法

8、，通過(guò)低階系統(tǒng)模型驗(yàn)證了該方法的可行性，并得出結(jié)論全部自由變量β<,i>均為1時(shí)系統(tǒng)靈敏度最低。 (5)導(dǎo)出并驗(yàn)證了放大器非理想情況下濾波系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)的計(jì)算公式，證明典型運(yùn)放的有限帶寬和有限增益對(duì)濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)值的影響非常微小，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中使用的無(wú)漂移低通濾波器，用理想運(yùn)放模型即可獲得足夠的設(shè)計(jì)精度。 (二)提出了新的最低能量保護(hù)分簇算法LEP，并以簇首與匯聚點(diǎn)間的鏈?zhǔn)蕉嗵ㄐ湃〈鶯EACH的單跳通信，建立了能量有效的新

9、的WSN分簇與傳輸協(xié)議。與LEACH相比，LEP擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，均衡了節(jié)點(diǎn)能耗，并顯著延長(zhǎng)了WSN的全網(wǎng)生存時(shí)間。要點(diǎn)如下： (1)在深入分析LEACH協(xié)議基本算法存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建立了均衡WSN節(jié)點(diǎn)的能量消耗的最低能量保護(hù)分簇新算法LEP。其基本思想是保護(hù)剩余能量最低的節(jié)點(diǎn)，使其盡可能離簇首最近，從而均衡節(jié)點(diǎn)的剩余能量水平，通過(guò)盡可能延長(zhǎng)能量最小節(jié)點(diǎn)的壽命，達(dá)到延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間的目的。 (2)以簇首與數(shù)據(jù)匯聚

10、點(diǎn)之間的鏈?zhǔn)蕉嗵ㄐ艡C(jī)制取代LEACH協(xié)議簇首直接將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)的單跳機(jī)制，結(jié)合最低能量保護(hù)分簇算法和多跳路由的優(yōu)化，構(gòu)成了分簇結(jié)構(gòu)WSN新的分簇與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，我們稱其為L(zhǎng)EP協(xié)議。與LEACH相比，LEP協(xié)議擴(kuò)大了協(xié)議的應(yīng)用范圍，增加了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，提高了基站的數(shù)據(jù)接收量。 (三)將對(duì)策論引入WSN，提出了對(duì)策論框架下功率控制策略，為功率分配的分布式實(shí)現(xiàn)提供了新的思路，改進(jìn)了中心化控制方式的不足，要點(diǎn)

11、包括： (1)給出了以納什均衡理論為基礎(chǔ)的時(shí)隙分配模型，通過(guò)分布式算法減輕了簇頭的分配時(shí)隙的負(fù)擔(dān)，從而節(jié)約了能量。 (2)給出了以Stackelberg理論為基礎(chǔ)的功率控制模型，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)利用帶有激勵(lì)的收益函數(shù)，通過(guò)納什均衡的自我強(qiáng)制性，使得各節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)最優(yōu)點(diǎn)達(dá)到納什均衡。從延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命角度對(duì)原收益函數(shù)進(jìn)行的改進(jìn)，使得整個(gè)簇的壽命得以延長(zhǎng)。 (3)將納什一澤森談判理論應(yīng)用到功率控制中，最后獲得的談判解是納什均衡解