无线传感器网络中分布式估计与协作传输关键技术研究

论文摘要

以物联网为代表的信息革命的第三次浪潮己悄然来临并正在改变人们的生产和生活方式。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）技术可以使物联网能够达到全球互联和随时随地与任何人和物通信的能力,引起了信息技术研究领域的广泛关注。无线传感器网络是一个资源受限、无线多跳传输、单节点易毁的自组织网络,通过多个节点的有效组织、协作工作可以提升网络整体性能。论文以基于无线传感器网络的多节点协作研究为主题,重点研究了无线传感器网络的分布式估计和协作传输技术。论文具体研究内容和结论如下：1.针对并行分布式无线传感器网络结构,建立了基于最小均方误差准则的节点分布式参数估计模型,以优化该模型估计值的均方误差为目标,提出了一种有效的节点选取和相应的功率分配算法（OPA）,并分别对总功率受限以及总功率和单个节点功率受限两种情形进行了分析和仿真。仿真结果表明,在给定中断概率条件下,论文提出的功率分配算法优于传统的等功率分配算法。2.针对分簇式无线传感器网络结构,建立了基于最大似然准则的估计模型,提出了一种簇内分布式参数估计算法。该算法通过簇头和各节点进行信息交换,迭代完成参数估计,避免了普通节点和汇聚中心的信息传输,减轻了汇聚中心的信息处理量。理论分析表明,算法迭代过程最终收敛到最大似然估计值。此外,该算法易于划分成若干子任务进行并行处理。仿真结果表明,该算法在中高信噪比条件下,具有快速收敛的优点。3.研究了基于放大转发（Amplify-and-Forward, AF）技术的分簇式无线传感器网络协作传输问题。分析了结合AF技术的两跳分簇式无线传感器网络的传输性能,利用母函数推导了对称及非对称多种中继状态下,目的端采用最大比合并准则的瞬时接收信噪比概率密度函数的表达式,并在此基础上给出了遍历容量的精确表达式及上界。该表达式可以更好地描述不同中继状况的系统性能,具有普遍意义。4.研究了两跳AF协作式传输无线传感器网络的中断概率性能。对于各中继信道具有不同信道状态参数情形,提出了系统中断概率的一种近似表达式。该表达式避免了非线性函数运算,克服了已有近似式在低信噪比情形下误差较大的局限性。仿真结果表明,该表达式更接近于系统的蒙特卡罗仿真结果。5.研究了两跳AF协作式传输无线传感器网络的功率分配问题。基于分布式估计OPA算法的思想,以优化信道容量为目标,提出了一种中继节点选择和功率分配算法,并分别对总功率受限以及总功率与单个节点功率均受限的两种情况进行了分析和仿真,结果表明,在功率受限下,该算法相对于传统的等功率分配算法可以获得较高的遍历容量。6.研究了虚拟MISO（Multiple-Input Single-Output）技术的分簇式无线传感器网络协作传输系统的性能。推导了系统簇内广播阶段、簇间传输阶段和系统整体误符号率（Symbol-Error-Rate, SER）表达式,并提出了系统整体误符号率的一种下界。仿真结果表明,该表达式能很好地描述系统性能。此外,将系统误符号率作为约束,建立了优化系统功率分配模型,并提出了求解该模型极值解的有效方法。仿真结果表明,在一定误符号率要求下,该模型有效地节约了系统能量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 无线传感器网络概述
• 1.3.1 网络特点
• 1.3.2 网络结构
• 1.4 无线传感器网络的关键技术
• 1.4.1 主要挑战
• 1.4.2 关键技术
• 1.5 论文的主要工作以及组织结构
• 1.5.1 主要工作
• 1.5.2 组织结构
• 参考文献
• 第二章 无线传感器网络中的多节点协作
• 2.1 问题概述
• 2.2 多节点协作分布式估计
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 网络结构
• 2.3 多节点协作传输
• 2.3.1 分簇式无线传感器网络
• 2.3.2 协作通信技术的概念
• 2.3.3 协作通信技术的协作方式
• 2.3.4 分簇式无线传感器网络中协作传输技术方式
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 无线传感器网络中的分布式估计
• 3.1 基于LMMSE准则的分布式估计算法
• 3.1.1 系统模型
• 3.1.2 估计方法与性能分析
• 3.1.3 活动节点选择与节点功率分配算法
• 3.2 簇内分布式估计算法
• 3.2.1 估计模型
• 3.2.2 算法描述
• 3.2.3 算法分析
• 3.2.4 仿真结果分析
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于AF技术的分簇式无线传感器网络协作传输
• 4.1 系统模型
• 4.2 性能分析
• 4.2.1 瞬时接收信噪比的计算
• 4.2.2 遍历容量
• 4.2.3 中断概率
• 4.2.4 仿真结果分析
• 4.3 中继选择以及功率分配算法
• 4.3.1 算法描述
• 4.3.2 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于虚拟MISO技术的分簇式无线传感器网络协作传输
• 5.1 空间分集技术
• 5.1.1 发送分集和接收分集
• 5.1.2 正交空时分组码
• 5.2 系统模型
• 5.3 系统性能分析
• 5.3.1 簇内广播
• 5.3.2 簇间传输
• 5.3.3 端到端误符号率
• 5.3.4 仿真结果分析
• 5.4 不同协作方式性能比较
• 5.5 能量消耗分析与仿真
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结束语
• 6.1 本文主要工作总结
• 6.2 未来研究工作展望
• 附录1 多个服从指数分布的随机变量和的概率密度函数和遍历容量
• 附录2 缩写说明
• 致谢
• 攻读博士学位期间的研究成果