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高能效体域网生存期优化算法研究

尹颖奇  
【摘要】:体域网作为物联网的重要组成部分和无线传感器网络在医疗监护等方面的应用,逐渐成为了人们关注的焦点。其便携性和实用性使得它在医疗监测、休闲娱乐、军事、航空等领域蕴藏着广阔的应用前景和巨大的经济效益。由于体域网是以人体为中心的网络,具有与无线传感器网络不同的特点和需求,而目前对于其关键技术的研究尚处于起步阶段,还有很多问题亟待解决。 因为传感器节点由电池供电,能量受到严格的制约,所以研究体域网的能效问题并且设计高效、公平的优化算法和功率控制机制来延长网络生存期是体域网的研究重点和热点,不仅具有理论研究意义,还具有重要的实际应用价值。 体域网中,在每个时隙仅有一个传感器节点能够将数据发送到汇聚节点。我们将传感器节点选择的问题进行建模,将其归纳为一个约束马尔可夫决策过程问题。本文提出了一种在公平性约束条件下最大化网络生存期的传输调度算法,利用动态规划问题中的Bellman方程求解出公平性约束下的最优生存期和最优策略,不仅获得了最优的网络生存期,而且在有不同的公平性约束条件下仍然能通过约束最优策略取得约束最优的生存期。 然后本文针对上述算法需要全局信道信息开销很大的缺陷,提出了一种使用局部信道信息的分布式传输调度方案,大大减少了体域网的网络开销。仿真结果表明,这种传输调度方案能够在不同的信道状态下合理地分配时隙以平衡网络生存期和公平性性能。 最后本文在对无线体域网网络链路动态变化特性研究的基础上,讨论了功率控制机制的必要性。体域网的功率控制机制是体域网中的节点在无线通信过程中根据信道状况的变化选择最合适的功率等级发送采集到的数据,以此来达到优化体域网相关性能的目的。采用功率控制机制能够有效地减少数据传输过程中的能量消耗,是延长体域网网络生存期的重要手段。本文在原有功率控制机制的基础上提出了一种改进的功率控制机制。仿真结果表明,改进的功率控制机制能够在保证数据传输可靠性的前提下进一步降低发射功率,获得了良好的性能。 本文所做的工作将为体域网在能效和功率控制等方面的理论研究提供新的方法,为在保证公平性前提下最大化网络生存期提供了新的解决方案,对体域网的研究与发展具有一定的参考价值。


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