能量采集WSN中基于大偏差理论的资源分配与调度优化理论

Energy-harvesting technique such as photovoltaic solar cells is an important method for the ability to prolong the lifetime of the battery and the lifetime of wireless networks thereby. However in such energy-harvesting aided WSN，it is rather challenging to design the resource allocation and scheduling algorithm due to the random and intermittent characteristics of renewable energy，dynamic changes of topology and the distributed nature of the network structure. Based on the large deviations theory and the stochastic optimization theory, the project studies the cooperative resource allocation and scheduling in energy harvesting aided cooperative wireless sensor networks (EH-WSN). The contributions of the project includes, i) to propose a novel energy management model which can fulfill the multimedia QoS constraints in the EH-WSN; ii) the cooperative resource allocation and scheduling scheme which take the quality of the electricity into consideration; iii) the distributed resource allocation and scheduling based on the stochastic optimization theory. Results of the project could provide a theoretical and experimental basis for the application of renewable energy in WSN. Novelty of the project relies in two aspects. Firstly, the project targets at studying the distributed stochastic optimization theory of the resource allocation and scheduling strategies in the EH-WSN, which is new and unique. Secondly, the theoretical and methodological tools used to solve the distributed algorithm are novel for EH-WSN.

运用能量采集技术解决WSN中能量供给问题是延长网络寿命的重要方法。然而在这种网络中，可再生能源的随机到达、网络拓扑结构的动态变化和网络结构的分布式特点给动态的协作资源分配和调度带来了巨大的困难。本项目以大偏差理论和随机优化理论为基础理论，构建一套适用于能量采集协作传感器网络的资源分配和调度随机优化理论体系，具体研究内容包括：构建保证统计时延QoS要求的能量模型；建立面向能量采集传感器网络的协作资源分配与调度机制；提出能量采集传感器网络中分布式的资源动态优化算法。研究目标比较新颖且有一定难度，可为再生能源在传感器网络中的应用提供有价值的理论依据和技术参考。从分析能量队列的角度引入大偏差理论构建能量模型、并基于随机优化理论等数学工具剖析动态网络环境的统计特性及分布式资源分配和调度算法，研究方法有一定的理论深度，可为未来传感器网络的体系结构和关键协议算法提供理论和实验基础。

可再生能源的随机性给传感器网络的分布式资源分配设计带来了巨大的挑战。因此，设计面向能量收集传感器网络的资源随机分配机制，对扩大可再生能源在传感器网络中的应用具有重要的理论价值和技术参考价值。项目组成员通过四年时间的努力，按照预定研究方案，实现了团队成员间的实质性合作，围绕分布式资源分配在能量收集传感器网络中所面临的保障统计QoS要求的能量模型构建问题、资源分配理论框架构建问题、分布式优化算法设计问题、能量收集过程对上层多媒体业务数据可提供的服务质量保证问题、资源分配算法的鲁棒性问题等展开科学研究。针对上述研究问题，本项目基于大偏差理论构建了保障统计QoS要求的能量模型——有效能量和有效功耗理论，在统一的资源分配优化框架中构建了无线资源分配策略与传感器节点供电能力间的协作关联关系；从随机优化理论和凸优化理论的角度解决了能量收集传感器网络中的分布式资源分配算法设计问题。项目相关成果体现在优化理论和分布式算法两个层面上，在理论上具有较强的前瞻性，丰富了这一领域的研究，可有效解决能量收集传感器网络中的资源分配问题，并为未来传感器网络的体系结构和关键协议算法提供理论和实验基础。