面向无线传感器网络的协作传输技术研究

发布时间：2019-04-26 18:52

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由具有信息感知能力的小型传感器节点通过无线通信方式构成的一个自组织网络系统。目前部署与应用无线传感器网络所面临的主要问题是传感器节点能量和通信资源的受限,以及恶劣无线通信环境中路径损耗和信道衰落对数据传输性能的影响。同时,随着人们对无线传感器网络数据传输服务质量(Quality-of-Service,Qo S)日益增长的需求,亟需采用一种更加高效的无线数据传输技术,在尽可能使用无线传感器网络原有资源的基础上,提高数据传输可靠性,扩大通信覆盖区域,提升数据传输质量,降低节点通信能耗,延长网络生命周期。无线协作传输技术作为改善和提高无线传输性能的一种有效手段,通过借助协作节点中继转发无线数据信号,共享彼此通信资源,可在扩大数据通信覆盖范围的同时,为数据发送节点和数据接收节点之间建立多条相互独立的数据传输链路,增加数据信号的“副本”数量,从而获得数据传输的分集增益,降低数据信号传输的错误率,可在不增加数据信号发送功率的情况下改善数据传输质量,显著提升数据传输的能效性。将无线协作传输技术应用于无线传感器网络,可有效克服无线通信环境中路径损耗和信道衰落对数据传输带来的负面影响,为无线传感器网络中高质量、低能耗的数据传输提供一个行之有效的解决方案。本文主要围绕着无线传感器网络中协作传输技术展开,主要研究内容与成果如下:(1)研究了无线传感器网络中多传感器节点分布式协作传输模型,提出了一种基于数据传输Qo S最大化的分布式协作传输算法。该算法以信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)作为数据传输Qo S评价指标,建立了Qo S最大化准则下的协作传输优化方程;推导出了各协作节点的最优功率权系数,以及数据发送节点与协作节点功率分配系数的近似最优解;同时,推导出了非对称衰落信道下采用所提算法得到的协作传输链路平均误符号率的近似表达式及其渐进解的理论表达式,为算法的性能分析与评估提供了理论依据。仿真结果表明,所提算法可显著提升传感器节点间数据传输的能效性。(2)研究了基站辅助中继下的无线传感器网络协作传输模型,提出了一种数据传输Qo S最大化准则下的基站辅助协作传输优化算法。该算法采用SNR评估数据传输Qo S性能,建立了基于Qo S最大化准则的协作传输优化方程;推导出了基站处的数据协作传输最优功率权矩阵,以及数据发送节点与基站之间的最优功率分配系数;此外,为了对所提算法性能进行定量分析,推导出了非对称衰落信道下的中断概率、遍历容量和平均误符号率等主要无线传输性能指标的理论分析表达式。仿真实验表明了所提算法的有效性。(3)分析了存在干扰情况下的无线传感器网络分布式协作传输模型,提出了一种基于支持向量机(Support Vector Machine,SVM)的协作传输干扰抑制策略。该策略主要针对协作传输链路信道状态信息样本有限的情况,以信干噪比(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio,SINR)作为数据传输Qo S评价指标,构建了以协作节点总功率最小化为目标函数,数据传输链路SINR和链路间干扰功率为约束条件的协作传输干扰抑制优化方程;由于优化问题的非凸性,通过对约束条件的简化,将该优化方程转化为标准的SVM回归机模型,并通过二次规划(Quadratic Programming,QP)技术求解各协作节点的干扰抑制权系数;此外,考虑到大样本情况下QP计算复杂度较高,我们同时采用了迭代加权最小二乘支持向量机(Iterative Reweighted Least-Squares,IRWLS)算法对化简后的优化方程进行求解。仿真结果表明所提策略可对数据传输链路之间的互干扰进行有效抑制,保证了数据信号的传输质量。(4)针对基站辅助中继下的无线传感器网络协作传输下行链路互干扰问题,提出了一种基于最小二乘支持向量机(Least-Squares Support Vector Machine,LS-SVM)的干扰抑制策略。该策略以数据链路SINR作为衡量数据传输Qo S性能的依据,在数据传输链路信道状态信息样本有限的情况下,建立了以协作传输功率最小化为目标函数,数据传输链路SINR和链路间干扰功率为约束条件的协作传输干扰抑制优化方程;通过对约束条件的近似化简将优化问题转换为了标准LS-SVM回归机模型,并采用迭代方法降低了LS-SVM算法中逆矩阵求解的计算复杂度。仿真结果显示所提策略可有效抑制数据传输链路之间的互干扰,验证了所提干扰抑制策略的有效性。(5)针对无线传感器网络中基站与移动用户距离较远的情况,提出了一种无人飞行器(Unmanned Aerial Vechile,UAV)辅助中继协作传输策略。该策略采用SNR最大化准则,首先推导出了基站与移动用户处的最优数据收发权向量,获得了任意时刻下协作传输链路的最优性能;其次,根据Dubin运动模型,给出了UAV航向角更新公式,可使UAV及时调整飞行航迹以最大化任务时间内的中继协作传输性能。仿真结果显示所提策略得到的UAV飞行航迹与穷举搜索法得到的最优结果十分近似,表明了所提策略的有效性。
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【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】