节点密集型无线传感器网络系统功率控制

无线传感器网络作为一种能量受限型网络，核心问题是降低能量消耗，这对有效的功率控制策略提出迫切的要求。针对节点密集型无线传感器网络系统信号传输中采用多跳路由导致的时滞问题, 给出含有随机时滞的一类系统状态空间模型，基于Krein空间分析理论，应用随机逼近方法，得到功率控制状态/输出反馈方法，该方法不需要精确掌握干扰功率的知识；针对实际系统信道增益往往是时变和/或不确定的这一现象，给出固定步长功率控制调节方法，严格证明所提出算法的收敛性；通过改变扩频增益和不同速率的信道编码，自适应地调整节点的传输速率，给出传输速率、发射功率联合控制算法；在此基础上，基于IEEE 802.15.4通讯协议构建无线传感器网络，验证所提出算法的有效性。本项目的研究将为设计无线传感器网络实用化功率控制技术提供理论和方法上的指导。

申请人和课题组采用状态空间模型描述无线传感器网络动态特性. 采用功率、速率联合控制方案,自适应地调整节点的传输速率. 当无法精确获知传输信号时, 采用静态输出反馈构造功率控制器, 将功率控制问题转化为随机时滞系统的LQG问题, 该问题本质上是凸优化问题. 给出实际信噪比收敛于期望信噪比的条件, 得到功率控制的迭代算法. 通过引入具有下三角结构的自由变量, 将基于节点输出信息的功率控制问题转化为不等式的可解性问题, 从而给求解带来方便. 该方法也适于具有时滞的传感器网络, 便于对系统进行性能分析. 在此基础上,申请人及课题组研究了具有衰减信道的无线传感器网络Kalman滤波问题. 当观测数据出现随机丢失的情况下, 导出丢包概率和时变信道增益以及传输功率之间的关系. 通过计算协方差矩阵, 设计了一类能够有效节省传感器能量同时保证一定估计精度的饱和功率控制器. 指出误差协方差矩阵的统计特性并给出了可允许丢包概率的上界. .当接收数据出现随机时滞和无时序时, 基于随机系统理论, 利用随机/时变时滞观测系统和控制系统对其加以描述, 将单个通道、单个随机时滞的系统转化为单通道多个定长时滞的随机系统, 其估计和控制问题可通过建立偏微分/差分方程、Riccati方程或PID控制等方法进行求解. 针对具有任意阶时滞的多输入/多输出传感器网络系统, 采用PID控制技术研究系统估计和控制问题. 证明了该多输入/多输出网络系统的H∞性能域可拆分成几个独立的单输入/单输出子系统性能域. 在此基础上基于扩展的Hermite-Biehler定理, 导出满足H∞性能要求的单输入/单输出子系统PID控制器设计方法. .针对无线传感器网络数据传送过程中出现的时滞, 分析了其时变和随机的特性, 研究了其对系统的影响, 对网络数据传输中出现的数据丢包也做了系列基础性研究. .基于IEEE 802.15.4通讯协议构建无线传感器网络, 验证了所提出算法的有效性.