（通信与信息系统专业论文）无线多接入网络中能量有效的传输调度研究.pdf

i 1 iii i 1li lll li ii ii y 17 5 19 6 2 r e s e a r c ho ne n e r g y - e f f i c i e n t t r a n s m i s s i o n s c h e d u l i n gi nw i r e l e s s m u l t i - a c c e s s n e t w o r k s a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r 7 ss i g n a t u r e ： e 妣e m a l r e v i e w e r s ：p r o f w e i l i n gw u b e i j i n gu n i v o fp o s t & t e l e c o m 一p r o f s h uz h a n g h t t a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v 一p r o f g e n s h e n x u w u h a n n o 7 2 2 i n s t i t u t e 一_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 j 选鲤盟匹盟 j 选她避 一 e x gc o m m i t t q c h a i r p e r s o n ：e x a m m m g o m m i t t e ec h a i m e r s o n p r o f q i n g d o n gy a o u z h e ji a n gu n i v e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： 一p r o f k a n g s h e n gc h e n l z h e ji a n gu n i v 一 一p r o f s h i j ul i z h e ji a n gu n i v 一 一p r o f a i p i n gh u a n g u z h e ii a n gu n i v 一p r o f z h a o y a n gz h a n g l z h e ji a n gu n i v 一p r o f l i m i nm e n g u z h e ji a n gu n i v o ft e c h 一p r o f p e i l i a n gq i u k z h e ji a n gu n i v d a t eo f o r a ld e f e n c e 坠n ：! 兰，2 q ! q 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝至三苤堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 一7 名心、万 签字日期： 弘，口 年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：毛小寿导师签名：彳九 签字日期：九，年月 日 签字日期：山f 口年舌月，日 浙江大学博士学位论文致谢 致谢 首先我要感谢我的导师仇佩亮教授，他渊博的学识、严谨的治学态度、以及 敏锐的学术前瞻性都对我产生了深刻的影响。仇老师对我的谆谆教诲和悉心指 导，使我对信息论研究产生了浓厚的兴趣，他对学术的专注、对科研工作的热忱， 也使我在面对科研难题时更添了一份笃定几年来他在学术研究上不断鼓励、引 导我探索新的方向、跟踪新的理论；同时又提供了一个宽松的研究学习环境，使 我的博士学位论文能够顺利完成。谨以本文表达我对仇老师衷心的感谢! 我还要感谢在我五年博士生活中，给了我许多指导和帮助的老师们，他们是 浙江大学信息与通信工程研究所的黄爱苹教授、张朝阳教授、陈惠芳副教授、杨 胜天副教授和余官定副教授等。感谢余老师在我准备我的第一篇论文的时候给予 我的帮助，他不厌其烦的和我讨论，纠正我的每一个小细节，让我在一片迷茫中 逐渐找到正确的方向；感谢陈老师在我面对毕业的巨大压力时向我伸出援助之 手，她不仅是我的“师姐”，也是我的幸运女神；感谢杨老师身体力行的教导，虽 然我有的时候觉得他有点“较真儿”，但也正是他的坚持使我懂得了学术严谨的重 要性；感谢黄老师对我一直的支持和鼓励，她像一个大家长一样，让我即使远离 家乡也能感觉到家的温暖；感谢张老师不断的给我鼓励，他对科研工作的激情与 不断超越的追求精神给我留下了深刻的印象。 在此，我还要把感谢送给令我五年的媾士生活充满欢笑与惊喜的亲密的战友 们! 他们是原信电楼4 1 8 室的陈实、何亮、董波、谢林、董芳、陈雁、刘丰威等。 还有现信电楼2 1 9 室范光字、金煦、陈亚欣、丁旭东、吴伟、陈高翔、沈佳峰、 龙腾，以及我的“黑带”师弟潘毅，和你们在一起的日子是最值得回忆的美好时光! 最后，我要特别感谢一直默默支持我奋斗的爸爸妈妈。无论身在何处，无论 面对多大的压力，一想到你们的支持，我就坚信没什么坎是迈不过去的。我还要 特别感谢我的老公小杰杰，感谢你了解我的压力，感谢你忍受我的坏脾气，感谢 你总是在我低落的时候告诉我我是最棒的，感谢你，因为你是最棒的! 浙 f 人学博七学能论文摘要 摘要 本世纪以来兴起了一个重要的研究领域无线传感器网络，利用它进行数 据采集和处理是一项具有广泛应用前景的技术。无线传感器网络的主要特征是资 源严格受限，特别是能量受限，所以低能耗应作为其主要的设计原则。降低传感 器节点能耗，延长网络寿命涉及几个方面，其中以降低数据传输能耗、优化传输 调度为主要因素。因为无线多接入信道是传感器网络的一种重要的网络结构形 式，无线多接入信道上降低能耗的传输调度问题则显得尤为重要。本文将综合、 交叉地运用信息论、调度理论等学科所发展的思想、方法和结果研究无线多接入 网络中能量有效的传输调度问题。主要从以下4 个方面展开了深入的研究，概括 如下： 本文研究了用户发送功率受限时，高斯多接入信道中能量最优的传输调度问 题。首先，用数学归纳法证明在多接入信道中降低用户发送功率、延长数据采集 完成时延，可降低数据采集的总能耗。得到最优功率控制策略后，通过分析多接 入信道容量拟阵多面体的结构特点，证明多接入信道上的最优速率分配可由控制 接收端对用户的逐次译码次序实现。这样，高斯多接入信道中的速率分配问题可 以看做任务调度问题，因为这两类问题都归结为一种排序问题。进而，我们引入 任务调度中成熟有效的调度策略来解决高斯多接入信道中最优速率分配问题。对 于对称的多接入传感网络，提出了一种最优的调度策略，该策略不仅可以最小化 数据采集总延迟，而且能够最小化数据采集总能耗。对于非对称的多接入传感网 络，提出了一种降低总能耗的启发式速率分配算法。这种算法在进行速率分配时 不但考虑了传感器节点的数据包队列长度信息，而且考虑了传感器节点不同的信 道状况。 本文研究了给定用户传输速率情况下，高斯多接入信道中的m i n m a x 公平的 功率分配方法。首先，对m i n m a x 公平点进行几何分析，利用m i n m a x 公平与 辞序最优性质之间的联系，证明了反拟阵多面体控制面上的m i n m a x 公平点的 几何性质：反拟阵多面体中m i n m a x 公平点就是控制面上距离等功率分配点的 最近的点。由反拟阵多面体中m i n m a x 公平点的几何性质，高斯多接入信道中 m i n m a x 公平的功率分配问题可转化为计算实现m i n m a x 公平策略的顶点时分复 用系数的凸优化问题。按照所得的时分复用系数来时分传输，即可实现高斯多接 i i i 浙江大学博士学位论文 摘要 入信道中m i n m a x 公平的功率控制。将m i n m a x 公平调度应用于无线传感器网 络，可有效平衡传感器节点之间的能耗，延长传感网络寿命 本文提出了一种计算可实现预设用户功率码率配置的码率分裂多接入系统 参数的实用算法。实现多接入信道容量区内的任意可达速率向量( 容量拟阵多面 体内的任意一点) ，一般有三种方法：顶点时分复用传输、多用户联合编译码和 码率分裂多接入相对于时分复用顶点和多用户联合编译码来说，码率分裂多接 入的方法不但对系统同步要求低，而且可以减少编码开销，仅用单用户编码结合 接收端的逐次译码就可以实现。然而至今还没有一种实用的算法计算码率分裂的 系统参数，这使得对码率分裂多接入技术的研究一直处于理论分析阶段本文提 出的实用算法可有效计算码率分裂系统参数，在用户的功率码率配置和系统参 数之间建立确定性映射，这使得码率分裂多接入技术在实际通信系统中的应用成 为可能。利用码率分裂多接入技术实现所提出的公平有效的多接入传输调度策 略，在减少编码开销的同时，降低系统对同步的要求 本文研究了平均每数据包延迟约束下，最小化数据包传输能耗的t d m a 传 输调度问题。实际的无线传感器网络大多采用基于正交传输机制的多接入协议， 其中t d m a 作为一种简单有效的多接入方式被普遍采用。为了在t d m a 系统中 降低传输能耗，我们首先将最优调度过程建模为离散时间马尔科夫决策过程。然 后，利用约束最优规划方法计算带有代价约束的动态规划问题，提出了t d m a 传送中降低平均每数据包传送能耗的最优调度策略。所得的最优调度策略仅依据 各个传感器节点的数据包队列长度信息，就可确定当前时隙内发送传感器节点的 标号和被发送数据包的总传送时长。所提出的最优t d m a 调度算法可直接加载 到现有的传感器网络协议中，例如应用在l e a c h 协议下簇内节点的传输调度中。 关键词：无线传感器网络、高斯多接入信道、能量有效的传输调度、m a x m i n 公 平、码率分裂多接入、约束最优规划 i v a b s t r a c t w i t hav a r i e t yo fa p p l i c a t i o np r o s p e c t s ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) a r e c u r r e n t l yd e v e l o p e du n d e rs e v e r e l yl i m i t e dr e s o u r c e sc o n s t r a i n t s a st h es e n s o rn o d e s a r eu s u a l l ys u p p o r t e db yb a t t e r i e s ，e n e r g ye c o n o m i z a t i o ni sc o n s i d e r e da so n eo ft h e m a i nd e s i g np r i n c i p l e sf o rw s n s r e d u c i n gt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o rn o d e s i no r d e rt oe x t e n dt h en e t w o r kl i f ei n v o l v e ss e v e r a la s p e c t s ，t h em o s ti m p o r t a n to n eo f w h i c hc o n c e l t i st h et r a n s m i s s i o ns c h e d u l i n g b e c a u s ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，w s n s g e n e r a l l yp o s s e s sm u l t i - a c c e s sc h a n n e lm o d e l s ，t h ee n e r g y - e f f i c i e n tm u l t i a c c e s s s c h e d u li n gp r o b l e mi nw s n si sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t w ew i l lt a c k l et h ep r o b l e m f o r ma ni n t e g r a t e da n di n t e r d i s c i p l i n a r yv i e w , w i t ht h ed i s c i p l i n e s ，m e t h o d sa n d r e s u l t si ni n f o r m a t i o nt h e o r ya n ds c h e d u l i n gt h e o r y t h er e s e a r c h e sa r em a i n l yc a r r i e d o u ti nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： w i t ht h eo b j e c t i v et om i n i m i z et h et r a n s m i s s i o ne n e r g yc o s t ，w ec o n s i d e rt h e e n e r g y 。e f f i c i e n ts c h e d u l i n gp r o b l e mi nas i n g l eh o pm u l t i - a c c e s sd a t ag a t h e r i n g s e n s o rn e t w o r k w ef i r s tp r o v eb yt h e o r e t i c a li n d u c t i o nt h a tt r a n s m i t t i n gw i t hr e d u c e d p o w e r sd e c r e a s e st h ee n e r g yb u d g e ti nam u l t i - a c c e s st r a n s m i s s i o n g i v e nt h eo p t i m a l t r a n s m i tp o w e r s ，w et h e ne x a m i n et h em u l t i a c c e s sc a p a c i t yp o l y m a t r o i da n da r g u e t h a tt h eo p t i m a lr a t ec o n t r o lc a nb ea c h i e v e db yc o n t r o l l i n gt h es u c c e s s i v ed e c o d i n g o r d e ro ft h et r a n s m i t t i n gs e n s o rn o d e s c o n s e q u e n t l y , t h em u l t i - a c c e s ss c h e d u l i n g p r o b l e mi sr e f o r m u l a t e di n t oj o bs c h e d u l i n gp r o b l e m sa n ds o l v e db ya d a p t i n gj o b s c h e d u l i n gp o l i c i e s c o n c e r n i n gb o t ht h eb a c k l o gl e n g t h e sa n dt h ec h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o no ft h es e n s o rn o d e s ，t h ep r o p o s e ds t r a t e g i e sa r et a i l o r e df o rs y m m e t r i c a n da s y m m e t r i cm u l t i - a c c e s sn e t w o r k s ，r e s p e c t i v e l y f r o ma ni n f o r m a t i o n t h e o r e t i cp o i n to fv i e w , w ei n v e s t i g a t et h em i n m a xp o w e r s c h e d u l i n gp r o b l e mi nm u l t i a c c e s st r a n s m i s s i o n e x p l o i t i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n m i n 。m a xo p t i m a la n dl e x i c o g r a p h i c a lo p t i m a l ，w ep r o v et h a tt h em i n m a xo p t i m a l v e c t o ri nac o n t r a p o l y m a t r o i di st h eb a s ew i t ht h em i n i m a ld i s t a n c et ot h ee q u a l a l l o c a t i o nv e c t o eb e c a u s ew ec a nr e a l i z ea n yb a s eo ft h ec o n t r a - p o l y m a t r o i db yt i m e s h a r i n ga m o n gt h ev e r t i c e s ，t h ep r o b l e ms e a r c h i n gf o rt h em i n - m a xo p t i m a lv e c t o ri s v ， 浙江大学博士学位论文英文摘要 c o n v e n e dt oac o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e ms o l v i n gt h et i m es h a r i n gc o e f f i c i e n t s b y a d o p t i n gt h ep r o p o s e dm e t h o da n da p p l y i n gt h ea c q u i r e dm i n - m a xo p t i m a ls c h e d u l i n g t om u l t i - a c c e s st r a n s m i s s i o n ，t h en e t w o r kl i f e t i m eo ft h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s p r o l o n g e d w ep r o p o s eap r a c t i c a la l g o r i t h mt oc o m p u t et h es p l i t t i n gc o e f f i c i e n t sa n dt h e s u c c e s s i v ed e c o d i n go r d e ro fv i r t u a lu s e r si ng a u s s i a nr a t es p l i t t i n gm u l t i p l ea c c e s s ( r s m a ) t r a n s m i s s i o n r s m at r a n s m i s s i o ni sac o d ed i v i s i o nm u l t i - a c c e s st e c h n i q u e w h i c hc a na c h i e v ea n yb a s ei nt h em u l t i a c c e s sc a p a c i t yp o l y m a t r o i dw i t h o u th i g h c o d i n gc o m p l e x i t yo rs y n c h r o n i z a t i o na m o n gt h et r a n s m i t t i n gu s e r s t ot h es c o p eo f t h ea u t h o r , t h e r ei sn o ta n yp r a c t i c a la l g o r i t h mt oc o m p u t et h es p l i u i n gp a r a m e t e r sf o r ag i v e np o w e r r a t ea l l o c a t i o n b a s e do no u rp r o p o s e da l g o r i t h m ，ad e t e r m i n i s t i c m a p p i n gi sb u i l tb e t w e e nt h es y s t e mp a r a m e t e r sa n dt h eo b j e c t i v er a t et u p l ef o r r s m a a sar e s u l t , t h ea p p l i c a t i o no ft h er s m at e c h n i q u eb e c o m e sp o s s i b l ei n c u r r e n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t op r o l o n gt h el i f e t i m eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w ei n v e s t i g a t et h e e n e r g y e f f i c i e n ts c h e d u l i n gp r o b l e mi nt d m at r a n s m i s s i o n w i t ht h eo b j e c t i v et o m i n i m i z et h et r a n s m i s s i o ne n e r g yu n d e rd e l a yc o n s t r a i n t ，t h ep r o b l e mi sf o r m u l a t e da s ad i s c r e t e - t i m em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ，a n dt h ec o n s t r a i n e do p t i m a lp o l i c i e sa le c o m p u t e d a p p l y i n gt h ec o n s t r a i n e do p t i m a lp o l i c y , w em i n i m i z et h ee n e r g yc o s tp e r p a c k e tw h i l eg u a r a n t e eaw o r s tc a s ea v e r a g ep a c k e td e l a y s u p e r i o rt ot h ee x i s t i n g p o l i c i e s ，t h ep r o p o s e ds c h e d u l i n gd e t e r m i n e st h es c h e d u l e ds e n s o rn o d ea sw e l la st h e t r a n s m i s s i o nd u r a t i o no ft h es c h e d u l e dp a c k e to n l yb yc u r r e n tb a c k l o g so ft h es e n s o r n o d e s a st h e r ei sn o ta n yp a r t i c u l a ra s s u m p t i o nf o rt h em u l t i - a c c e s s ，t h ep r o p o s e d s c h e d u li n gc a nb ee f f e c t i v e l ya p p li e dt oc u r r e n ts e n s o rn e t w o r k sa sw e l la so t h e r m u l t i - u s e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s u c ha st h eu p l i n ki nc e l l u l a rs y s t e m k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，g a u s s i a n m u l t i - a c c e s s c h a n n e l ， e n e r g y e f f i c i e n ts c h e d u l i n g ，m a x - m i nf a i m e s s ，r a t e s p l i t t i n gm u l t i p l ea c c e s s ， c o n s t r a i n e do p t i m a lp r o g r a m m i n g v i 浙江人学博士学位论文插图和附表清单 插图和附表清单 图2 1 无线多接入信道传输模型1 l 图2 2 拟阵多面体与反拟阵多面体的对偶性1 4 图2 3 时分传输实现控制面上任意基向量1 7 图2 4 具有独立信源的2 用户高斯多接入信道的容量区1 8 图2 52 用户高斯多接入信道功率区2 0 图3 1基于无线多接入信道的传感器网络调度模型2 2 表3 1 多接入速率分配问题和任务调度问题之间的映射2 9 图3 2 平均每数据包消耗能量比较3 2 图3 3 平均每数据包传送延迟3 3 图3 4 最短加权队列优先与固定速率分配策略比较3 7 图3 5 在网络中传感器节点数量变化时，固定分配与最短加权队列优先策略的性 能比较3 7 图3 6 最短队列优先、最短加权队列优先与固定速率分配策略比较3 9 图3 7 对称多接入信道中，最短队列优先策略下传感器节点传输示意图4 0 图3 8 采集延迟与能耗之间的折中4 2 图4 1 时延受限下无线多接入传感器网络模型4 5 图4 2 时延受限下的最小能耗数据采集示意图4 8 图4 3 无线多接入信道反拟阵多面体内m i n m a x 公平点的三种情况5 l 图4 4 每采集周期内，传感器节点中最大发送功率比较5 6 图4 5 每采集周期传感器节点和功率比较5 7 图4 6 三种策略下传感网络寿命比较。5 8 图5 12 用户高斯多接入信道中功率码率配置6 3 图5 2 合并过程的二叉树表示( 从合并二叉树可确定分裂顺序) 6 6 图5 32 用户码率分裂中不同情况下的功率填充6 9 图5 4 利用反证法证明情况i v 式样( a ) 中p ，尺，的归谬过程7 0 图5 52 用户码率分裂中功率填充示意图7 2 图5 65 用户紧码率功率配置分裂过程7 3 图5 75 用户紧码率功率配置码率分裂示意图7 4 v 浙江大学博士学位论文插图和附表清单 图6 1t d m a 传感器网络传输调度模型7 7 图6 2 约束最优规划问题的最优解8 0 图6 3 = 2 传感器网络的j 一五曲线8 5 表6 1 平均时延约束k = 0 4 7 时的最优调度策略8 5 图6 4 最优调度策略与等长服务策略下系统性能比较8 7 图6 5 对称多接入信道最优调度策略下系统性能8 8 图6 6 非对称多接入信道中最优调度策略下系统性能( 1 ) 8 9 图6 7 非对称多接入信道中最优调度策略下系统性能( 2 ) 8 9 图7 1 多接入信道容量区与c e o 可达码率区相交9 4 目次 致谢i 摘要i i i a b s t r a c t 1 0 r 插图和附表清单v i i 目次i x l 序言1 1 1 无线传感器网络中的能量有效的传输调度问题1 1 2 本文特色与创新之处5 1 3 研究内容与本文组织7 2 高斯多接入信道容量区及其拟阵多面体结构1 l 2 1 高斯多接入信道模型1 l 2 2 拟阵多面体与反拟阵多面体1 2 2 3 高斯多接入信道容量拟阵多面体与功率反拟阵多面体1 4 2 - 3 1 控制面上的最优分配问题1 6 2 3 2 实现控制面内任意的基向量1 7 2 3 3 一个例子_ 2 一用户高斯多接入信道容量区与功率区1 8 3 无线多接入网络中能量最优的传输调度策略2 1 3 1 系统模型2 2 3 2 最优功率控制策略2 3 3 3 最优速率分配策略2 7 3 3 1 高斯多接入信道中速率分配问题与任务调度问题2 7 3 3 2 对称高斯多接入信道中最优速率分配策略3 0 3 3 3 非对称高斯多接入信道中最优速率分配策略3 4 3 3 4s a f 策略和s w a f 策略比较3 8 3 4 系统实现3 9 3 4 1 周期性数据采集实现过程3 9 i x 3 4 2 计算s a f 策略和s w a f 策略下数据采集时延4 0 3 5 本章小结4 2 4 无线多接入网络中m i n - m a x 公平的传输调度4 4 4 1 系统模型4 5 4 2m i n m a x 公平和辞序最优4 6 4 - 3 最小能耗数据采集传输策略4 7 4 4m i n m a x 公平的功率控制策略4 9 4 4 1 对m i n - m a ) ( 公平点的几何分析5 0 4 4 2 控制面上m i n m a x 公平点的几何性质5 l 4 4 3 计算实现m i n m a x 公平功率控制的时分复用传输系数5 4 4 5 仿真分析5 6 4 6 本章小结5 8 5 一种计算码率分裂多接入系统参数的实用算法一6 1 5 1 一些有用的预备知识和引理6 2 5 2 对于控制面上码率向量的实用码率分裂多接入算法6 6 5 2 1 计算分裂顺序6 6 5 2 2 计算用户分裂系数与虚拟子用户的逐次译码次序6 7 5 3 高斯多接入信道中的码率分裂参数计算过程7 3 5 4 本章小结7 4 6 能量有效的t d m a 传输调度7 6 6 1 系统模型7 7 6 2 约束最优规划方法7 9 6 3 平均每数据包时延受限下能量最优的t d m a 传输调度8 2 6 3 1 计算约束最优的t d m a 传输调度策略8 2 6 3 2 系统实现8 6 6 4 仿真分析8 7 6 5 本章小结9 0 7 结论与展望9 l 参考文献9 5 作者简历1 0 0 x 浙江人学博士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 无线传感器网络中的能量有效的传输调度问题 本世纪以来兴起了一个重要的研究领域无线传感器网络【1 ，2 1 无线传感 器网络包含了成百上千的传感器节点，它们重量轻、体积小、价格低廉；每个传 感器节点具有传感，计算、通信、甚至包括反应动作能力，它们共同执行某项专 门的任务。这些传感器节点把测量到的数据经处理以后，通过无线方式传送给融 合中心，由融合中心处理并做出判断。显然这种无线传感器网络具有巨大的应用 价值，比如可以用于各种环境监测( 空气、水、土壤) 、健康监测、安全监控中， 在军事上可以用来构成网络化雷达、海底声纳网络等。美国军方的d a r p a 实施 了分布传感器网络计划( d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r k sp r o g r a m ) ，以及d a r p a n e s t ( n e t w o r k e de m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ) ，另外像u cb e r k l e y 研究的 s m a r td u s t 、p i c or a d i o 项目1 3 1 ，m i t 研究的a m p 项目1 4 1 等，都是开展这方面 的研究。由于传感器节点的计算能力、存储空间等条件受限，传感器网络的应用 也面临许多困难，其中以能耗问题尤为棘手。传感器节点多以电池供电，如果能 量耗尽，退出网络，将会使整个传感网络性能下降。而人工的更换电池时间长、 费用高，在某些特定的应用场景下也是不可能的。这就要求我们对传感器节点的 设计进行优化，对无线传感器网络通信方式进行改进，最大限度的有效使用传感 器节点的能量，延长无线传感器网络的寿命。g o l d s m i t h 等在文献【5 】中从物理层、 链路层、到网络层全面地讨论了低能耗a dh o c 网络的设计挑战。s t a r k 等在文献 【6 】中讨论了低能耗无线网络设计中通信各模块的低功耗设计。 若定义无线传感器网络的寿命为网络中任意一个传感节点能量耗尽、退出网 络的时间，认为此时网络死亡1 7 , 8 1 。降低传感器节点的能耗是延长传感网络寿命 的关键。传感器节点的能耗包括传输能耗、信号处理能耗和传感测量能耗，其中 数据传输能耗最主要。有资料显示，发送l 比特信息所消耗的能量是执行l 条指 令所消耗能量的1 5 0 0 到2 7 0 0 倍( - 9 传输距离有关) 1 9 1 ，因此降低无线传感器中 通信子系统的能耗极为重要，而对无线传感网络中降低通信子模块能耗的研究着 _ 浙江大学博士学位论文 绪论 重在有效调度传感节点数据传输，降低传感节点传输能耗，减少传感器节点之间 的相互干扰。总的来说，通过有效的调度传感器节点的数据传输来延长传感网络 寿命，可主要从两个方面入手：一是降低传感节点本身的传输能耗，二是平衡传 感节点之间的能耗分配( 公平性研究) 。 现有的关于降低能耗的传输调度研究主要针对点对点( p 2 p ) 无线链路，主 要依据的是s h a n n o n 信道容量公式的凸函数性质。从s h a n n o n 的信息论可知在信 道上传输l 比特信息所需要的能量与传输速率有关，传输速率越慢则能量越省【l 0 1 1 l 。其实在通信中使用纠错编码也达到了这个目的。使用纠错编码时，虽然增加 了校验位使码率降低，增大了传输时间，但在相同误码率下功率也可以降低，综 合起来往往还可以节省能量。由于数据传输中必定有时延的限制，所以传输不可 能太慢。文献【1 l 】中，u y s a l b i y i k o g l u 等根据数据包到达情况有效控制每个数据 包的传送，在数据包到达信息已知、总传送时延受限( d e a d l i n ec o n s t r a i n t ) 的情 况下，提出了最佳离线( o f f l i n e ) 数据包调度算法，称之为l a z y 算法；同时又 在此基础上发展出在线( o n l i n e ) 调度算法在文献【1 2 】中，r a g h u n a t h a n 等利用 漏桶算法( l e a k yb u c k e t ) 自适应的调节数据包发送速率，使之与数据包到达速 率相匹配，最大限度的延长数据包传送时间，节省传送能量。类似的，k h o j a s t e p o u r 等在文献 1 3 】中利用滤波器对数据包发送过程进行控制，而滤波器的参数由数据 包到达参数决定，这就使得数据包的发送速率与数据包的到达速率保持一致，来 降低传输能耗。在文献 1 4 ，1 5 】中，n u g g e h a l l i 等将能量最优的t d m a 传送过程建 模为离散马尔科夫决策过程( d i s c r e t em a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ，m d p ) ，利用随 机动态规划和受限最优规划( c o n s t r a i n e do p t i m a lp r o g r a m m i n g ，c o p ) 【1 6 】方法， 求得了平均数据包延迟受限情况下，最小化平均每数据包能耗的传输策略。文献 【1 7 】中，y u 和p r a s a n n a 分析了多跳链路中能量有效传输调度通过动态的控制 调制星座点的尺度( d y n a m i cm o d u l a t i o ns c m i n g ，d m s ) 【1 8 ，在总时延受限情 况下合理分配每跳的传送时间，来调节数据包的传送速率，最小化传输能耗。 汇聚节点作为接收端，传感节点作为发送用户，无线传感器网络中一类典型 的网络结构为无线多接入网络结构。例如，8 0 2 1 5 4 协议中具有星形拓扑结构的 网络模型。分簇协议下的传感器网络中，簇内节点的连接同样符合无线多接入信 道模型