WSNs中数据包长优化算法研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种由大量微型传感器节点通过无线通信自组织而成的网络系统，用于实时地检测、感知和采集某个区域的信息，对信息进行处理，并发送给观察者，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。由于其在军事、环境、医疗、家庭等方面的广泛应用，已引起各国政府以及学者的高度关注。传感器节点通常是由电池供电，并且一般无法进行充电或者更换电池，因此有效利用无线传感器网络有限的能量是一个重要挑战。数据传输消耗了整个网络的主要能量，而通信的数据包长是数据传输能耗的主要参数，因此设计有效的数据包长优化算法，在每次数据传输前，精确的求解出最优数据包长是有效利用无线传感器网络有限能量的关键。
　　本文的主要研究内容及创新之处如下：
　　(1)研究构造了新的通信能耗效率模型。通过对现有能耗效率模型的分析，提出一种新的能耗效率模型，同时考虑MAC层协议和信道编码对节点能耗的影响，以反映节点的能耗效率与数据包长、无线收发部件、通信协议以及通信信道之间的关系，从理论上完善了节点的能耗效率模型。
　　(2)研究了基于SA的数据包长优化算法。通过对所构造能耗效率模型以及基本SA算法的分析，结合基本SA算法的特点，提出了一种基于SA的数据包长优化算法--SAP(Simulated Annealing-based Packet-size)算法。同时，结合数值分析方法，定义了计算代价这一性能评价指标，以此可以从统计意义上来评价SAP算法的性能。仿真实验结果验证了SAP算法具有较低的算法复杂度却有较高的精确性和效率。
　　(3)研究了基于SPSA的数据包长优化算法。基本SPSA算法具有收敛速度快，目标函数计算量小，无需求解精确梯度等优点，结合所构造能耗效率模型的特点，提出了一种基于SPSA的数据包长优化算法--SPSAP(SimultaneousPerturbation Stochastic Approxlmation-based Packet-size)算法。同时，定义了平均ECE精度和计算效能这两个性能评价指标，在仿真试验中，从统计意义上验证了SPSAP算法具有较低的算法复杂度却有较高的精度和效率。最后，定量分析比较了SAP算法和SPSAP算法的性能。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 无线传感器网络概述

1.3 国内外研究现状

1.4 课题来源和研究目的

1.5 本论文主要工作和各章内容安排

第二章 无线传感器网络中单跳能效模型

2.1 引言

2.2 相关工作分析

2.3 单跳能效模型

2.4 本章小结

第三章 基于SA的数据包长优化算法

3.1 引言

3.2 基本SA算法

3.3 算法设计

3.4 仿真结果分析

3.5 本章小结

第四章 基于SPSA的数据包长优化算法

4.1 引言

4.2 基本SPSA算法

4.3 算法设计

4.4 仿真结果分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 进一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参与的研究课题