无线传感器网络高能效链路调度及数据传输技术研究

摘要

无线传感器网络具有组网快速、成本低廉、抗毁性强等特点，其巨大的应用价值和发展前景推动了无线传感器网络相关研究工作的大力开展。由于无线传感器网络采用多跳通信，具有多对一的流量特征，且传感器节点硬件资源受限，为此，本文从能量高效利用的角度出发，对无线传感器网络的链路调度和数据传输技术展开了深入研究。
　　链路调度是无线传感器网络研究中面临的首要问题。通过系统分析链路调度与路由选择、调度周期以及网络能耗的关系，以最小化调度周期和最小化网络能耗为目标，提出一种联合路由优化的高能效链路调度模型。针对该模型提出一种基于两阶段求解机制的启发式链路调度算法。首先利用加权和变量删减进行模型转化，并使用整数规划求出网络路由拓扑和调度周期下限，再据此提出一种基于最大干扰度优先的启发式时隙分配算法。进一步，针对启发式链路调度算法的不足，提出一种基于NSGA-Ⅱ的多目标链路调度算法。该算法以反向组播树为染色体编码基础，采用基于最大干扰度优先的启发式时隙分配算法求解每个染色体编码方案下的最小调度周期并基于染色体编码求解能耗，以完成种群初始化，然后采用非支配排序对种群进行分层处理，并计算层内拥挤距离，通过多次精英进化获得最优个体。最后通过仿真实验对所提算法进行分析验证。
　　数据传输是无线传感器网络研究中另一亟待解决的问题。本文引入压缩感知技术，能够在数据传输时大幅度降低节点的数据传输量。使用遗传算法寻找无线传感器网络中基于压缩感知的最优数据收集树，使得该树形拓扑下具有最大的网络寿命。进一步，从原子选择和追踪方向两个方面出发，提出一种改进的梯度追踪算法。该算法采用基于阈值的选择方式进行原子选择，每次选择多个原子并入索引集合;同时引入追踪方向回溯机制，利用上一次的追踪方向对当前追踪方向进行修正，以降低迭代次数，加快目标值点附近的追踪速度，达到提高数据重构速度和数据重构精度的目的。一系列仿真实验验证了所提算法的有效性。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 无线传感器网络概述

1．1．1 无线传感器网络的起源与发展

1．1．2 无线传感器网络的体系结构

1．1．3 无线传感器网络的特点

1．1．4 无线传感器网络的应用领域

1．2 国内外研究现状

1．3 课题来源

1．4 论文的组织结构

第2章 无线传感器网络中链路调度与数据传输技术研究

2．1 引言

2．2 无线传感器网中的链路调度技术

2．2．1 集中式链路调度算法

2．2．2 分布式链路调度算法

2．3 无线传感器网络中的数据传输技术

2．3．1 基于单跳网络结构的数据传输

2．3．2 基于多跳网络结构的数据传输

2．3．3 数据融合技术的应用

2．3．4 压缩感知技术在无线传感器网络中的兴起

2．4 本章小结

第3章 无线传感器网络中高能效链路调度

3．1 引言

3．2 网络模型和问题形式化

3．2．1 无干扰链路调度

3．2．2 流量守恒

3．2．3 能耗模型

3．2．4 问题形式化

3．3 基于启发式的链路调度机制

3．3．1 基于整数规划的路由选择

3．3．2 基于最大干扰度优先的启发式链路调度算法

3．3．3 仿真与性能分析

3．4 基于NSGA-Ⅱ的链路调度机制

3．4．1 多目标进化算法简介

3．4．2 问题求解

3．4．3 仿真与性能分析

3．5 本章小结

第4章 基于压缩感知的数据传输机制

4．1 引言

4．2 网络模型

4．3 基于压缩感知的数据传输机制

4．3．1 压缩感知技术

4．3．2 基于遗传算法的压缩感知数据收集树

4．3．3 改进的梯度追踪算法

4．4 仿真与性能分析

4．5 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间的科研及获奖情况