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异构供电无线传感器网络的能量管理和跨层优化

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第一章 绪论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作

1.4 本文内容安排

第二章 异构供电无线传感器网络中面向速率效用的跨层优化

2.1 网络模型

2.2 能量管理和跨层设计:EASYO

2.3 性能分析

2.4 仿真实验

2.5 本章小结

第三章 异构供电多媒体无线传感器网络中联合分布式信源编码和网络编码的动态优化

3.1 网络模型

3.2 能量管理和跨层设计

3.3 性能分析

3.4 仿真实验

3.5 本章小结

第四章 多跳无线传感器网络中信息流和能量流的联合优化

4.1 单播系统模型

4.2 多播系统模型

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 工作总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果

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摘要

可再生能源的开发和利用,是解决无线传感器网络能量限制的一种有效途径。但是,由于可再生能源的不稳定性,无法保证网络的持久工作。为此,本文提出了一种可再生能源、电网和无线能量传输联合供电的异构供电模式。
  本文在深入分析了目前国内外的研究现状和实际应用的基础上,设计了一系列针对异构供电模式的能量管理和跨层优化问题,开展了如下研究:
  (1)提出一种新的系统模型,考虑了传感、传输和接收的多种能源消耗,电网、可再生能源和混合能源的异构能源供应,以及电价、信道和能源采集的多维随机性,构造了一个基于队列稳定和链路容量共同约束的离散随机跨层优化问题。利用李雅普诺夫加罚漂移优化方法和块坐标下降法获得了瞬时全分布、低复杂度的跨层算法,实现了时间平均队列积压与时间平均速率效用最大化、电力成本最小化的目标函数之间的权衡。仿真结果验证了算法性能,表明了在可再生能源稀缺的情况下异构供电模式能够显著改善网络性能。
  (2)针对多跳、多播、信息源相关的异构供电无线多媒体传感器网络,提出了一种联合分布式信源编码和网络编码的能量管理和跨层优化模型。采用分布式失真信源编码技术去除数据间的相关性,减少数据的传输量和能源消耗。利用网络编码,增加多播传输吞吐量、降低能耗。基于李雅普诺夫加罚漂移优化方法、对偶算法和块坐标下降法,本文设计了一种完全分布式算法,实现了时间平均队列积压与时间平均可重建失真效用最大化、电力成本最小化的目标函数之间的权衡,并以仿真验证了算法性能。
  (3)针对可再生能源和无线能量传输共存的异构供电模式,分别为单播/多播多跳无线传感器网络构建了两个速率效用最大化的问题模型。基于无线能量传输技术,每个节点不仅可以接收从其它节点传输来的能量,还可以通过其出链路向网络中的其他节点传输能量。因此,所提的速率效用最大化问题需要实现信息流和能量流的联合优化。此外,数据压缩能耗模型由简单的线性模型扩展到了非线性模型,增加了问题的复杂度。仿真实验表明,通过无线能量传输技术和网络编码技术可以提高网络性能。

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