无线传感器网络生命期最优化

摘要

无线传感网络是由信息获取（传感）、信息传输与信息处理三大子领域技术相互融合的产物。它通过集成化的微型传感器之间地协作，将实时监测、感知和采集的各种环境信息交由嵌入式系统进行处理，最后通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在的计算”理念。然而，无线传感器网络的出现既是机遇，也给研究它的人们带来了新的挑战。无线传感器网络采用电池供电，并且更换电池和再次充电的不可行性，使其能量问题尤为突出。因此如何延长传感器网络的生命期成为了一个热点问题。不少学者都相继提出了自己的优化模型和算法。还有的学者突破传统网络分层的思想，使用跨层优化的方法来延长网络生命期。 在本文中，作者首先分析了现有的基于网络分层协议的优化模型和方法，重点介绍了基于物理层、数据链路层和网络层的一些研究成果。之后分析比较了能量受限的联合物理层、MAC 层、网络层的跨层优化算法和基于可靠传输的跨层优化算法。 根据无线传感器网络节点冗余性和网络连通性，对现有的无线传感器网络生命期定义提出了质疑，并论证了其不合理性。在此基础上，本文提出了新的网络生命期定义：无线传感器网络的生命期等于网络中第一个因为能量耗尽而失效的关节点的生命期。这个定义的基础上，对无线传感器网络进行分析，建立无线传感器网络生命期的跨层（物理层、数据链路层、网络层）优化数学模型。由于该模型是一个动态优化问题，在数学上难于求解。为此，又提出了广义关节点集的概念，并对该模型进行了必要的推导和证明。之后给出了基于循环的算法求解该数学模型。最后通过LINGO 求解该数学模型，得到跨层优化的调度策略和无线传感器网络的生命期。数学模型的计算结果表明，相比于传统优化算法，本文提出的算法进一步延长了网络生命期。