基于交替方向乘子的无线传感器网络分布式控制算法研究

发布时间：2017-10-08 19:04

  本文关键词：基于交替方向乘子的无线传感器网络分布式控制算法研究

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【摘要】：无线传感器网络融合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和网络通信技术,是一个前沿热门的科研领域,应用前景十分广阔。虽然传感器网络有诸多优点,但是它的发展同样面临许多困难和挑战,其中一个重要的难题就是能量控制问题。传感器节点主要通过能量有限的电池进行供电,能量的多少决定了节点的生存时间。因此研究如何有效的对传感器网络中节点的能量进行控制,延长整个网络的生命周期具有非常重要的意义。网络效用最大化理论自从被提出来以后被广泛应用于有线网络和无线网络的研究之中,其核心思想就是将整个网络的通信问题抽象为一个数学规划问题,将网络资源等限制条件作为约束条件,在约束条件下研究如何实现网络的效用最大化问题作为目标问题。针对不同的网络环境设计相应的效用函数,通过各种数学优化方法求解效用函数从而解决网络的优化问题。为了便于研究无线传感器网络中能量控制问题,本文在网络效用最大化理论的基础上,将传感器网络的能量控制问题抽象为一个网络效用最大化问题,并给出了一个具体的效用最大化模型。对于该模型本文通过交替方向乘子法进行了分析和研究。交替方向乘子法是一个健壮的数学优化方法,它结合了对偶分解法和扩展拉格朗日算法对于限制性约束最优化的优点。它将原问题分解为若干个关联的子问题,交替方向的求解这些子问题从而得出原问题的解,非常适合用来解决分布式的优化问题。无线传感器网络中,由于存在多种业务类型,效用函数的设计也各不相同,本文分两种情况分别进行讨论。当效用函数为凹函数时,通过引入松弛变量后直接使用交替方向乘子法求解模型；当效用函数不是凹函数时,本文基于增广对偶理论来消除对偶间隙,对原问题进行变形,再利用交替方向乘子法求解。本文所提出的分布式迭代算法利用网络中各个节点的协同参与,仅仅需要有限的信息传输但是能够收敛到全局最优解。为了验证算法的可行性,本文给出了具体的网络拓扑结构并进行仿真实验,实验结果表明了算法是可行的,能够收敛到全局最优解。
【关键词】：无线传感器网络 效用最大化 交替方向乘子法 对偶分解 能量控制
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 课题研究背景10-14
• 1.1.1 无线传感器网络概述10-11
• 1.1.2 节点模块结构与能耗分析11-12
• 1.1.3 无线传感器网络特点与挑战12-13
• 1.1.4 无线传感器网络节能策略概述13-14
• 1.2 国内外研究现状14-15
• 1.3 论文组织与结构15-16
• 第二章 优化问题基础知识16-25
• 2.1 凸集与凸函数16-17
• 2.2 凸优化问题常见算法思想17-21
• 2.2.1 对偶上升法17-19
• 2.2.2 对偶分解法19-20
• 2.2.3 增广拉格朗日乘子法20-21
• 2.3 交替方向乘子法21-24
• 2.3.1 交替方向乘子法简介21-23
• 2.3.2 交替方向乘子算法性质23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 基于网络效用最大化的无线传感器网络建模25-35
• 3.1 网络效用最大化理论25-28
• 3.1.1 效用最大化基本思想25-26
• 3.1.2 基本网络效用最大化模型26-27
• 3.1.3 无线传感器网络优化通用模型27-28
• 3.2 效用函数28-31
• 3.2.1 效用函数的基本性质28-29
• 3.2.2 常见的效用函数29-31
• 3.3 系统建模与分析31-34
• 3.3.1 系统模型31-33
• 3.3.2 模型公式化33-34
• 3.4 本章小结34-35
• 第四章 凸优化问题时的分布式能量控制35-44
• 4.1 模型分析35-38
• 4.1.1 交替方向乘子法解决凸优化问题35-36
• 4.1.2 凸优化问题时ADMM算法具体实现36-38
• 4.2 实验仿真38-43
• 4.2.1 仿真环境与参数设置38-39
• 4.2.2 效用函数的选择39
• 4.2.3 仿真结果和分析39-43
• 4.3 本章小结43-44
• 第五章 非凸优化问题时的分布式能量控制44-53
• 5.1 非凸优化问题的对偶间隙44-45
• 5.2 模型分析45-48
• 5.2.1 交替方向乘子法解决非凸优化问题45-47
• 5.2.2 非凸优化问题时ADMM算法具体实现47-48
• 5.3 仿真与结果分析48-52
• 5.3.1 仿真环境设置48-49
• 5.3.2 效用函数分析49
• 5.3.3 实验结果和分析49-52
• 5.4 本章小结52-53
• 第六章 总结和展望53-54
• 6.1 论文总结53
• 6.2 论文进一步工作53-54
• 参考文献54-58
• 在校期间科研成果58-59
• 致谢59

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李世勇;秦雅娟;张宏科;;基于网络效用最大化的一体化网络服务层映射模型[J];电子学报;2010年02期

2 廖盛斌;程文青;刘威;杨宗凯;丁毅;;基于效用的无线传感器网络能量分配优化策略[J];电子与信息学报;2008年09期

3 廖盛斌;谭运猛;;无线网络效用最大化算法的收敛性分析[J];北京理工大学学报;2014年08期

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本文编号：995709