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《山东大学》 2007年
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网络化测控系统中WSN几个关键问题的研究

陈涤  
【摘要】: 以互联网为标志的网络技术的进步推动了各种分布式新型应用系统的演进和发展。测控网络这种开放式、数字化、多点通信的应用于制造、监控、自动化的底层网络的加入,使原本独立发展的信息网和测控网,正在越来越深入地融合为一体,网络从而成为一种包罗万象的综合技术平台,催生了大量新概念和新的应用模式。以无线传感器网络为感知手段,基于网络化测试平台的网络化控制系统是其中引起广泛关注,极具生命力的代表。 网络化测控系统和无线传感器网络,承担着测控服务现场化、远程化、智能化、网络化、一体化的任务,是近年来非常活跃的热点领域,研究内容极其丰富。本文简要介绍了相关的研究背景和发展现状,在对网络化测控系统中无线传感器网络的基本框架与问题充分了解的基础上,集中研究了提高WSN节点信号调理质量的无漂移滤波器技术、有效延长无线传感器网络寿命、具有能量有效性的最低能量保护分簇新算法和新的协议机制及基于对策论框架的无线传感器网络簇内通信节点功率控制策略等具有共性的基础问题。主要内容包括: (1)无线传感器网络的感知精度以传感器节点数据采集模块获取的原始数据的质量为基础。承担传感器信号前置放大、滤波、去噪功能的信号调理电路是影响系统性能的关键,也是设计中最为困难的环节。在WNS广泛应用的海洋监测、地质勘探、土建、生物医学和电化学等领域的低频微弱信号传感、检测系统中,系统灵敏度常达μV甚至nV量极,这时漂移是同噪声一样严重的问题。本文研究了建立原理上无信道附加漂移的新型有源低通滤波系统理论及实现方法,包括拓扑结构、灵敏度分析、与传统有源低通滤波器的比较、参数优化的数学模型和算法设计等,致力于解决传统低通滤波器抑制噪声的同时引起附加漂移的矛盾,简化传感与检测系统设计,提高WSN节点信号调理质量并降低系统成本。 (2)能量有效性是WSN的研究重点,涉及到系统设计的每一个层面。简单、灵活、能量高效的网络拓扑控制是倍受重视的解决方案之一。本文对已有的主要拓扑控制算法进行了探讨,重点研究经典的LEACH分簇协议存在的问题与改进方案,致力于建立有效延长无线传感器网络寿命,具有能量有效性的拓扑控制新算法和新的协议机制。 (3)将对策论引入WSN领域,研究了对策论框架下的分簇无线传感器网络的簇内功率控制问题,致力于为功率分配的中心化控制和非中心化控制提供一个新的分析框架,促使节点优化其关于资源利用的评价函数,以实现整个簇的能量有效性最大化而达成系统最优。 本文的主要贡献与创新如下: (一)提出了任意阶无漂移全极点有源低通滤波器从拓扑结构,性能分析到参数优化的完整理论和方法。导出了它的最简形式,证明在WSN节点中无需高品质滤波放大器,提高了节点信号调理质量并降低了系统成本。其要点是: (1)引入了无漂移滤波的概念,提出无漂移基本节电路,并推广到任意阶全极点有源低通滤波系统,与传统的低通滤波器相比切实具有良好的低漂移、低元件灵敏度特性。解决了传统低通滤波器抑制噪声的同时引起附加漂移的矛盾,适于WSN节点高性能和低成本的要求。 (2)提出了一种无漂移全极点有源低通滤波器ω和Q灵敏度的分析方法,并验证了其正确性。可以此方法简便的求解系统的ω和Q的灵敏度,进而调整电路参数直至达到设计要求。对一般的滤波器灵敏度问题,该方法普遍成立。 (3)证明系统总的Schoeffler多参数灵敏度与设计中自由变量的取值无关。并据此导出了无漂移有源低通滤波器参数设计的最简形式,使得计算公式大为简化,同时使元件种类减少一半。 (4)根据统计灵敏度测度的定义,通过理论推导提出了对任意阶无漂移全极点有源低通滤波系统的统计灵敏度进行优化的方法,通过低阶系统模型验证了该方法的可行性,并得出结论全部自由变量β_i均为1时系统灵敏度最低。 (5)导出并验证了放大器非理想情况下滤波系统实际参数的计算公式,证明典型运放的有限带宽和有限增益对滤波器参数设计值的影响非常微小,对实际系统中使用的无漂移低通滤波器,用理想运放模型即可获得足够的设计精度。 (二)提出了新的最低能量保护分簇算法LEP,并以簇首与汇聚点间的链式多跳通信取代LEACH的单跳通信,建立了能量有效的新的WSN分簇与传输协议。与LEACH相比,LEP扩大了应用范围,均衡了节点能耗,并显著延长了WSN的全网生存时间。要点如下: (1)在深入分析LEACH协议基本算法存在问题的基础上,建立了均衡WSN节点的能量消耗的最低能量保护分簇新算法LEP。其基本思想是保护剩余能量最低的节点,使其尽可能离簇首最近,从而均衡节点的剩余能量水平,通过尽可能延长能量最小节点的寿命,达到延长整个网络的生存时间的目的。 (2)以簇首与数据汇聚点之间的链式多跳通信机制取代LEACH协议簇首直接将数据传送到数据汇聚点的单跳机制,结合最低能量保护分簇算法和多跳路由的优化,构成了分簇结构WSN新的分簇与数据传输协议,我们称其为LEP协议。与LEACH相比,LEP协议扩大了协议的应用范围,增加了无线传感器网络的网络生存时间,提高了基站的数据接收量。 (三)将对策论引入WSN,提出了对策论框架下功率控制策略,为功率分配的分布式实现提供了新的思路,改进了中心化控制方式的不足,要点包括: (1)给出了以纳什均衡理论为基础的时隙分配模型,通过分布式算法减轻了簇头的分配时隙的负担,从而节约了能量。 (2)给出了以Stackelberg理论为基础的功率控制模型,簇内节点利用带有激励的收益函数,通过纳什均衡的自我强制性,使得各节点在系统最优点达到纳什均衡。从延长网络寿命角度对原收益函数进行的改进,使得整个簇的寿命得以延长。 (3)将纳什—泽森谈判理论应用到功率控制中,最后获得的谈判解是纳什均衡解的帕累托改进,实现了整簇能量有效性的最大化从而达成系统最优。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP273.5

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