超寬帶無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型的研究.pdf

1、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)技術(shù)是一種利用數(shù)Hz到數(shù)GHz的超帶寬、通過(guò)微弱的脈沖信號(hào)進(jìn)行通信的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。2002年2月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission，F(xiàn)CC)批準(zhǔn)限用于軍事用途的超寬帶技術(shù)用于民用通信，在學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界掀起了UWB技術(shù)的研究熱潮。利用UWB技術(shù)特有的大頻帶寬度、高傳輸速率、低信號(hào)功率及噪音環(huán)境下的高處理增益等特點(diǎn)，建立以UWB為物理層技術(shù)

2、的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)就是其中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)分布密集，一條鏈路上信號(hào)功率的變化，極易對(duì)相鄰鏈路的信道容量產(chǎn)生影響。因此，網(wǎng)絡(luò)層上基于容量的路由問(wèn)題與MAC層調(diào)度、物理層信號(hào)功率控制密切相關(guān)。即，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題必須通過(guò)跨層(Cross-Layer)的方式予以解決。 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化方面做了大量的研究，但是仍然存

3、在許多未解決的問(wèn)題。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果研究、分析的基礎(chǔ)上，對(duì)基于UWB技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化問(wèn)題展開(kāi)了較為系統(tǒng)的研究，主要研究工作及創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 構(gòu)建了UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型 跨層設(shè)計(jì)是提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)整體性能的一種有效方法。本文在綜合考慮MAC層調(diào)度、物理層信號(hào)功率控制、網(wǎng)絡(luò)層路由三方面因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合UWB技術(shù)大頻帶寬度、低信號(hào)功率等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)

4、絡(luò)最大數(shù)據(jù)傳輸速率為目標(biāo)，構(gòu)建了UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)模型最優(yōu)解進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置可顯著提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率。這證明以構(gòu)建、求解跨層優(yōu)化模型的方式，解決UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題是切實(shí)可行的。 (2) 提出了一種基于UWB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法 由于UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化模型的特殊性(非線(xiàn)性規(guī)劃模型)，本文將跨層優(yōu)化模型的求解安排在基站節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行，這就要求基站節(jié)點(diǎn)

5、必須掌握網(wǎng)絡(luò)全局拓?fù)湫畔ⅰ闈M(mǎn)足這一要求，本文利用UWB技術(shù)特有的精確測(cè)距功能，提出了一種不依賴(lài)GPS的UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法。該算法利用UWB技術(shù)的精確測(cè)距功能，獲得網(wǎng)絡(luò)中一跳鄰居節(jié)點(diǎn)間距離信息；然后，根據(jù)一定約束條件，在網(wǎng)絡(luò)中選取若干基節(jié)點(diǎn)，建立以基節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的基節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系，確定各節(jié)點(diǎn)在所屬基節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)不同坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，建立統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系，最終確定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)洹Ｔ撍惴楦咝?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

6、基本功能，如路由、網(wǎng)絡(luò)管理等提供了可能，適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)變化較小的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)。 (3) 建議了一種大規(guī)模UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案 本文提出的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案建立在跨層優(yōu)化模型仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果及模型約束條件對(duì)優(yōu)化結(jié)果影響作用詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，方案包括以下三個(gè)階段：①利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法，獲得網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)?；②特定事件發(fā)生時(shí)，選取探測(cè)區(qū)域中適當(dāng)節(jié)點(diǎn)為“基站”節(jié)點(diǎn)，在探測(cè)區(qū)域中求解跨層優(yōu)化模型

7、；③根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，以減少優(yōu)化模型約束條件、變量數(shù)量為目標(biāo)，對(duì)模型約束條件作適當(dāng)調(diào)整，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械诙吻蠼饪鐚觾?yōu)化模型。上述求解過(guò)程中，如果每一次求解均得到可行解，則源節(jié)點(diǎn)生成的傳感數(shù)據(jù)能夠成功地轉(zhuǎn)發(fā)到基站節(jié)點(diǎn)。采用上述數(shù)據(jù)傳輸方案，雖然增加了模型的求解次數(shù)，但每次求解模型時(shí)涉及的節(jié)點(diǎn)數(shù)量明顯減少，這一方面降低了模型的求解難度，另一方面還可以充分利用小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)跨層優(yōu)化模型的已有研究成果，避免優(yōu)化模型及相關(guān)程序代碼的二次開(kāi)發(fā)。

8、 (4) 研究并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基站可接收最大數(shù)據(jù)速率 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)分析了基站節(jié)點(diǎn)與其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)相互位置關(guān)系對(duì)優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)值的影響，得到以下結(jié)論：基站節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收能力與其一跳鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量、分布位置等因素密切相關(guān)。在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的啟發(fā)下，論文對(duì)基站可接收最大數(shù)據(jù)速率問(wèn)題展開(kāi)了深入細(xì)致的研究分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 本文對(duì)UWB無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸跨層優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了較為系統(tǒng)、深入的研究，建議了一種大規(guī)