延长传感网生命周期的协作通信多目标优化设计及其算法研究

This project addresses the problem that how to conduct cooperative communications in wireless sensor networks (WSNs) to extend the life cycle of the whole network. We study the transmission mechanism of cooperative communications in WSNs and establish the relaying transmission statistical model by employing the Poisson stochastic model. Furthermore, we analyze the energy consumption of four statuses, i.e. transmitting, receiving, listening and sleep of the WSN nodes and the transferring between four different statuses. We analyze the linear and nonlinear effects of system parameters of physical layer on the energy consumption and establish the accurate system-level energy consumption model for WSN nodes. In the next step, we derive the first and second characteristics of wireless cooperative transmission for WSNs. At last, we conduct research on the multi-objective resource allocation optimization model and design criteria of cooperative communications to avoid the "energy hole" phenomenon and extend the life cycle of WSNs. The optimization is based on the closed-loop optimization from part to whole and from whole to part. The employing adaptive utility function guarantees the bit error rate and outage probability of the system and is based on the energy efficiency as well as the remaining battery power of the WSN nodes. This project will reveal that whether the cooperative communications intensify or alleviate the "energy hole" phenomenon in WSNs. Our study will also provide in-depth understanding and the theoretical basis of the effects of applying cooperative communication in WSN on combating channel fading, enlarging network coverage, and extending life cycle of WSNs.

本项目针对整个传感网如何进行协作通信，从而延长生命周期这个突出而重要的问题，首先从传感网中协作通信的传输机制和调度过程入手，运用泊松随机模型，建立传感网协作通信的传输中继统计理论模型；接着我们分析传感网节点发射、接收、监听和睡眠四种不同的工作状态以及状态之间切换所需的能耗，研究节点物理层传输的系统参数对能耗的线性和非线性影响，建立传感网节点较为精确的系统级能耗模型；然后，推导传感网协作通信的一次特性和二次特性；最后根据从局部到整体和从整体到局部的闭环优化思想，建立保证误码率和中断概率、基于电池剩余电量和能效比的自适应效用函数，建立避免"能量空洞"现象，延长传感网生命周期的协作通信多目标资源分配优化模型和优化方法。本项目为揭示传感网中应用协作通信是加剧还是减缓"能量空洞"现象这个科学问题，为深入认识传感网中协作通信在抗信道衰落、增加网络覆盖范围、延长网络生命周期等方面的作用提供理论依据。

传感网属于一种资源受限网络，传感网节点的能量、计算能力和存储量都非常有限，尤其是能量极其有限。传感网中部分节点过早耗尽自身能量会导致网络原有覆盖区域缺失或者数据无法送达汇聚节点，产生“能量空洞”现象。.本项目针对传感网如何进行无线协作通信，从而延长生命周期这个突出而重要的问题，首先针对传感网中分布式节点的特点，研究了传感网中分布式的单向和双向放大转发无线协作通信的最优波束成形问题，研究了传感网中最佳协作节点选择的方法。其次，我们考虑通信的发送端得到的信道状态信息可能存在误差，研究了多天线放大转发无线协作通信的鲁棒波束成形问题。另外，我们考虑传感网中的无线协作通信结合非线性Tomlinson-Harashima预编码、天线子阵成型和正交频分复用等现代无线通信技术，进一步提高传感网中无线协作通信的性能。.能量受限的传感网节点通常由容量有限的电池供电，考虑能量和信息无线同时传输的无线携能通信不仅可以实现信息的传递，也可以为能量即将耗尽的传感网节点充电，从而避免或延缓“能量空洞”现象，延长传感网的生命周期。针对传感网能量受限的特点，我们首先研究了单向多天线无线协作系统中无线携能通信的理论模型并得到了其可达速率-能量区域的数学表达式，然后将其推广到了双向无线协作系统。其次，由于基于正交空时分组码（OSTBC）的多天线无线协作系统能够最大程度地利用分集增益，我们还研究了基于OSTBC的双向多天线无线协作系统中无线携能通信的优化设计。另外，我们考虑传感网中存在窃听者，我们使用物理层安全通信技术来实现数据的保密通信，研究了多天线无线协作系统中无线携能安全通信的秘密波束成形优化问题，提出了相应的优化算法。.本项目为传感网无线协作通信的系统设计与优化提供了有效的理论方法和技术支撑，为深入认识传感网中协作通信在抗信道衰落、增加网络覆盖范围、延长网络生命周期等方面的作用提供了重要的理论依据。