無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量策略與路由的聯(lián)合優(yōu)化.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，災(zāi)難預(yù)警，目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)上，傳感器節(jié)點(diǎn)由一次性電池供能，在目標(biāo)區(qū)域中完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸與處理等工作。由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍很廣，人工更換電池需要很大的成本開銷，甚至在某些惡劣環(huán)境中無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以在有限的能量下最大化網(wǎng)絡(luò)的工作壽命是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。另一方面，隨著能量收集技術(shù)的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)可以從外部環(huán)境獲取能量，如果能量消耗速率小于能量收集速率，理論上就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)工作。這時(shí)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是

2、在能量可持續(xù)性下最大化網(wǎng)絡(luò)容量，也就是最大化節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集速率，使網(wǎng)絡(luò)獲得更多的信息。
　　本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)供能方式的不同，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為以下三種不同的場(chǎng)景分別研究。每種場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)有自己特定的能量策略，比如節(jié)點(diǎn)電量分配，能量收集速率分配和能量路由等。本文將對(duì)能量策略與路由進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命或網(wǎng)絡(luò)容量的最大化。
　　一、僅靠電池供電的傳統(tǒng)場(chǎng)景。本文提出了路由與節(jié)點(diǎn)電池電量分配的聯(lián)合優(yōu)化算法。通過(guò)合理規(guī)劃各節(jié)點(diǎn)的電池

3、容量和路由，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在一定的總電量預(yù)算下達(dá)到最大壽命。本文在連續(xù)和離散兩種電量分配場(chǎng)景中分別建立優(yōu)化問(wèn)題模型，并給出求解算法。在連續(xù)電量分配情況下，將原問(wèn)題轉(zhuǎn)換為線性規(guī)劃問(wèn)題并證明等價(jià)性。在離散電量分配場(chǎng)景中，將組合優(yōu)化問(wèn)題松弛為連續(xù)優(yōu)化問(wèn)題，并提出一種電池離散化算法，得到一組次優(yōu)的路由和相應(yīng)的離散電量分配方案。仿真顯示本文的方法在不同網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和預(yù)算約束下均可顯著地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　二、節(jié)點(diǎn)帶有能量收集裝置的場(chǎng)景。本文提

4、出了一種路由與能量收集速率聯(lián)合優(yōu)化的算法。高規(guī)格的能量收集裝置有更高的能量收集速率，但是帶來(lái)更高的成本。算法通過(guò)規(guī)劃節(jié)點(diǎn)能量收集裝置的規(guī)格和路由，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滿足預(yù)算約束下達(dá)到最大數(shù)據(jù)采集速率。算法將問(wèn)題建模為一個(gè)組合優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)凸松弛和變量離散化算法，得到一組次優(yōu)結(jié)果，避免了高復(fù)雜度的窮舉遍歷。仿真結(jié)果表明，在不同的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下該算法性能均優(yōu)于對(duì)比算法，可顯著增加網(wǎng)絡(luò)容量。
　　三、節(jié)點(diǎn)間可進(jìn)行無(wú)線能量傳輸?shù)膱?chǎng)景。最新的

5、能量協(xié)作技術(shù)使節(jié)點(diǎn)間可以無(wú)線傳輸能量，從而進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量。在給定節(jié)點(diǎn)能量收集速率的前提下，本文對(duì)數(shù)據(jù)傳輸路由和能量傳輸路由進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)合理的進(jìn)行能量協(xié)作以實(shí)現(xiàn)容量的最大化。對(duì)該聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題，本文提出集中式處理和分布式處理兩種方案。集中式處理將該問(wèn)題可以建模為一個(gè)線性規(guī)劃問(wèn)題。在分布式處理中，本文借助投影次梯度算法提出了一種新的分布式優(yōu)化算法，使各節(jié)點(diǎn)通過(guò)與鄰居的數(shù)據(jù)交互求解出自己的數(shù)據(jù)路由和能量路由。數(shù)值仿真顯示了該聯(lián)合優(yōu)化