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无线传感器网络生命周期 跨层优化研究 摘要 能量损耗问题是无线传感器网络( w s n ) 研究的关键性问题，如何 能使无线传感器网络运行能量最小同时使网络生命周期( n l ) 最大是一 项挑战性的研究工作。近年来，围绕相关问题，研究人员们进行了大量 工作。但是，目前的研究内容主要集中在用数值算法解决网络生命周期 最大化( n l m ) 问题，然而数值解法不能提供准确的解析表达式，因此 不能深刻揭示( 1 ) 这个优化问题的解到底是什么? ( 2 ) 相关参数是如 何影响n l 的? ( 3 ) 它们之间的依赖关系是什么? 等能提供进一步深入 分析n l m 命题的问题。本文提出了用k a r u s h k u h n t u c k e r ( k k t ) 最优 性条件解析地求解n l m 问题的新途径，能够有效回答上面提出的这些疑 问。本文主要研究在能量受限的无线传感器网络中如何使能量消耗最小 化以及网络生命周期最大化。由于各层协议的设计都会影响整个网络能 量的消耗，n l m 问题需要综合考虑各层协议的约束，因此本文采用跨层 优化的方法解决这类问题。可以证明，当媒体接入控制( m a c ) 协议 采用时分复用( t d m a ) 的方式时，n l m 问题是一个整数一凸函数混合 优化问题，通过将时隙上的整数约束放松至实数域取值，则整数一凸函 数混合优化问题将转换为凸优化问题。这个凸优化问题综合考虑了物理 层、m a c 层以及路由层协议对能量消耗的影响。本文将集中研究这个凸 优化问题，利用凸优化理论的良好性质寻求解析地求解n l m 问题的新途 径。取得的成果主要有： 1 提出了用k k t 最优性条件解析地求解凸优化问题的新途径，并针对 各种拓扑无线传感器网络中的n l m 问题导出了相应的k k t 最优性条 件。 2 在线性单源点单汇点( s s s s ) 拓扑无线传感器网络中，通过求解对 应的k k t 最优性条件得到了该网络拓扑下n l 的解析全局最优解及其 最优通信策略。 3 在线性多源点单汇点( m s s s ) 拓扑无线传感器网络中，通过固定 路由和分解合并( d c ) 解法两种方式降低了原n l m 问题的复杂 上海交通大学博士学位论文 度，利用对应的k k t 最优性条件求解得到了该网络拓扑下n l 的解析 次优解及其次优通信策略。 4 在线- i 生m s s s 拓扑无线传感器网络中，从n l 的定义出发，结合相应 的k k t 最优性条件，得到保证网络中所有节点能量同时耗尽的紧的 解析次优解。此外，在节点发送速率极低的前提下，采用直接求解 对应的k k t 最优性条件的方法得到该网络拓手i n l 的解析全局最优 解。 5 在平面s s s s 拓扑无线传感器网络中，从n l 的定义出发，结合相应 的k k t 最优性条件，得到保证网络中所有节点能量同时耗尽的紧的 解析次优解。 6 在平面m s s s 拓扑无线传感器网络中，根据平面s s s s 拓 扑w s n 的n l 和相应次优时隙和路由分配策略的结果，采用d & c 解 法来近似得到平面m s s s 拓扑无线传感器网络n l 的解析次优解。 关键词：无线传感器网络，网络生命周期，跨层优化，k k t 最优性条 件，解析解 一一 n e t w o r kl i f e t i m ec r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o ni n w l r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a b st ：r a c t e n e r g yi sc r i t i c a lf o rt y p i c a lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) a n d h o wt om i n i m i z ee l l - e r g yc o n s u m p t i o na n d m a x i m i z en e t w o r kl i f e t i m e ( n l ) a 佗b i gc h a l l e n g e sf o rw s n w h i l e n l o s to ft h e s er e s e a r c he f f o r t sh a v eb e e ns p e n to i ls o l v i n gt h en lm a x i m i z a t i o n ( n l m ) p r o b - l e mi nan u m e r i c a lm a n n e r , t h e r ea r ef e wr e s e a r c he f f o r t so na n a l y z i n gw h a tt h i ss o l u t i o ni s a n dh o wt h en ld e p e n d so no p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s ，w h i c hp r o v i d ea ni n n o v a t i v ei n s i g h t i n t o t h en l t of i n do u t ，w eu t i l i z ek a r u s h k u h n - t u c k e r ( k k 1 3o p t i m a l i t yc o n d i t i o n st os o l v e t h en l m p r o b l e ma n a l y t i c a l l y i nt h i sp a p e r , w ei n v e s t i g a t e ac r o s s 。l a y e rd e s i g na p p r o a c h f o rm i n i m i z i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a x i m i z i n gn e t w o r kl i f e t i m e ( n l ) o fam u l t i p l e 。 s o u r c e sa n ds i n g l e s i n k ( m s s s ) w s nw i t he n e r g yc o n s t r a i n t s t h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m f o rm s s sw s n c a l lb ef o r m u l a t e da sam i x e di n t e g e rc o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e m w i t ht h e a d o p l t i o no ft i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ( t o m a ) i nm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) l a y e r , a n di tb e c o m e sac o n v e xp r o b l e mb yr e l a x i n gt h ei n t e g e rc o n s t r a i n to nt i m es l o t s i m p a c t s o fd a t ar a t e ，l i n ka c c e s sa n dr o u t i n ga l ej o i n t l yt a k e ni n t oa c c o u n ti nt h eo p t i m i z a t i o np r o b - l e mf 研m u l a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ns o l v i n gt h i sc o n v e xo p t i m i z a t i o np r o b l e mb y a n a l y t i c a la p p r o a c h e s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa l e 私f o l l o w s ： i i i 1 t h ee x i s t i n gt h e o r e t i c a lm e t h o da v a i l a b l ef o rs t u d y i n gc r o s s l a y e rn l m i se x t e n d e db y p r o v i d i n ga n a l y t i c a ld u a l i t yt e c h n i q u e s ，i e ，u t i l i z i n gt h ek k t o p t i m a l i t yc o n d i t i o n s t h ek k tc o n d i t i o n sf o rn l mp r o b l e ma r ed e r i v e d 2 i nl i n e a ls i n g l e s o u r c ea n ds i n g l e s i n k ( s s s s ) w s n ，t h eg l o b a l l yo p t i m a ls o l u t i o n s a r ed e r i v e db ys o l v i n gt h ek k t c o n d i t i o n s 3 i nl i n e a lm u l t i p l e s o u r c ea n ds i n g l e s i n k ( m s s s ) w s n ，t h es u b o p t i m a ls o l u t i o n sa l e d e r i v e db ys o l v i n gt h ek k tc o n d i t i o n su n d e rf i x e dr o u t i n gs c h e m ea n dd & c a i r - p r o a c h 4 i nl i n e a rm s s sw s n 。f r o mt h ed e f i n i t i o no fn la n dk k tc o n d i t i o n s ，w eo b t a i nt h e t i g h ts u b o p t i m a ls o l u t i o n st h a te n a b l ea l lt h en o d e st oe x h a u s tt h e i re n e r g i e sa t t h e 上海交通大学博士学位论文 s a m et i m e i na d d i t i o n ，t h eg l o b a l l yo p t i m a ls o l u t i o n sc a na l s ob ed e r i v e db ys o l v i n g t h ek k tc o n d i t i o n sd i r e c t l yw h i l et h es o u r c er a t e sa r ev e r yl o w 5 i np l a n a rs s s sw s n ，f r o mt h ed e f i n i t i o no fn la n dk k tc o n d i t i o n s ，w ed e r i v et h e t i g h ts u b o p t i m a ls o l u t i o n st h a te n a b l ea l lt h en o d e st oe x h a u s tt h e i re n e r g i e sa tt h e s a m et i m e 6 i np l a n a rm s s sw s n ，a l li t e r a t i v ea l g o r i t h mb a s e do nad e c o m p o s i t i o na n dc o m b i n a - t i o n ( d & c ) a p p r o a c h i sp r o p o s e dt oo b t a i nas u b o p t i m a ln l i nt h ed & c a p p r o a c h ， t h eo p t i m i z a t i o np r o b l e mf o rm s s sn e t w o r ki sd e c o m p o s e di n t om u l t i p l eo p t i m i z a t i o n p r o b l e m sf o rs s s sn e t w o r k s t h es s s so p t i m i z a t i o np r o b l e m sa r eo p t i m a l l ys o l v e d i n d i v i d u a l l ya n dc o m b i n e dt op r o d u c eas u b o p t i m a ls o l u t i o nf o rm s s s n e t w o r k k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , n e t w o r kl i f e t i m e ，c r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n ，k k t o p t i m a l i t yc o n d i t i o n s ，a n a l y t i c a ls o l u t i o n 一一 w s n n l m p n l m s s s s m s s s k k t l 忙 t d m a d & c m h s h q o s s 烈r b e r r f 加 v l s i 口巳m s i d 主要符号对照表 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 网络生命周期( n e t w o r kl i f c t i m e ) 接口消息处理器( i n t e r f a c em e s s a g ep r o c e s s o r ) 网络生命周期最大化( n e t w o r kl i f e t i m em a x i m i z a t i o n ) 单源点单汇点( s i n g l e s o u r c ea n ds i n g l e - s i n k ) 多源点单汇点( m u l t i p l e - s o u r c ea n ds i n g l e s i n k ) k k t ( k a r u s h k u h n t u c k e r ) 媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 分解合并( d e c o m p o s i t i o na n dc o m b i n a t i o n ) 多跳( m u l t i p l e h o p ) 单跳( s i n g l e h o p ) 服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 信干噪比( s i g n a l t o - i n t e r f e r e n c e - p l u s n o i s er a t i o ) 比特出错速率( b i te r r o rr a t e ) 射频( r a d i of r e q u e n c y ) 模数( a n a l o g - t o d i g i t a l ) 超大规模集成( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 微型机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 标识符( i d e n t i f i c a t i o n ) 上海交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解上海交通大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：圣二_ 旦经 日期：澎年生月上日 指导教师签名： 瓯稠 阻p 宇i - - 日期递年卫月上日 上海交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：重 旦率 e l期：皇型左年 ! 为么日 第一章绪论 能量消耗是腰碍能量受服的无线传感器网络发展的关键技术难题，并且受到各 层协议设计的影响。跨层优化方法旨在打破网络协议架构的厨有腰制，充分利 用各层协议对其它层协议的有用信息的自适应达到最大限发优化性能指标的 目的。本章从事物发展的规律入手，指出j 网络协议架构的模块化与网络协议动 态a 适应的固有矛盾并以此为切入点回溯弱史展望未来综述7 为解决 能耗问题从采用分层优化方法到采用跨层优化方法的演进以及随之带来的e 大技术挑战。 一本章提要 无线通信技术已经并且仍在改变人们生活的方式【l 】。如果说无线蜂窝网络 ( w i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r k s ) 几乎可以满足人们随时随地保持通信、享受多媒体业务 的要求，从而改变了人类之间交流方式的话，那么无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ) 则通过融合逻辑上的信息世界与客观上的物理世界而改变了人类与自然界 的交互方式【2 】。人们可以通过无线传感器网络直接感知客观的物理世界，极大地拓 展了人类感受世界进而认知世界的能力 3 8 】。 近年来无线通信技术、计算技术和微电子技术的飞速发展使得许多新的信息应 用技术应运而生，无线传感器网络正是这三大技术高度集成的产物之一。硬件制 造工艺尤其是超大规模集成电路技术( v l s i ) 以及微型机电系统技术( m e m s ) 的 日益成熟使得诸如射频收发机( r ft r a n s c e i v e r ) 、模数和数模转换器( da n d1 3 a c o n v e r t e r s ) 、基带处理器以及其它应用接口等无线节点( n o d e ) 必备的功能模块可 以集成到一个小如壹元硬币大小的终端设备中并且制造成本越来越低廉【9 - 1 6 。愈 发成熟的技术加上日益形成的市场需求令曾经作为人类获取信息最重要和最基本 的技术传感器技术，正朝着集成化、微型化和网络化的方向发展，从而促成集感 应、数据处理和通信等多个功能模块于一身的功能完备的传感器节点走上“信息化 世界与数字化地球p 的历史舞台【1 7 】。大量微型传感器节点象一根根触角，可以深 入到自然世界的每个角落去获取信息，并通过网络交换彼此之间的信息，如同地球 的“把脉者 ，为人类了解世界、理解世界进而把握世界打开了一扇明亮的天窗。 在已经实施和可以预见的诸多应用场景中，采用电池供电的无线传感器网络能够充 分发挥传感器节点“随时”一全天候铺设并且长期工作、“随地深入人类难以 接近的复杂恶劣的自然环境、“随己一一人工部署后自我配置组织成网，不再需要 人为干预的特性，从而能够长期有效获取过去不为人熟知的物理世界的信息数据， h 海交通大学博士学位论文 这种无线传感器网络所能提供的服务在无线传感器网络众多的应用中脱颖而出，尤 其令设计者们兴奋不已。布置在观测区域的无线传感器网络由于为节点充电或者更 换电池一般比较困难或者代价昂贵，因此称这种网络为能量受限的网络本文将主 要围绕能量受限的无线传感器网络展开讨论。 令人憧憬的应用前景对无线传感器网络提出了两个关键要求：支持数量巨大 的自治节点和面向环境以及任务的自适应【1 8 】。同样是大尺度的网络( 1 a r g e s c a l e n e t w o r k s ) ，互联网( i n t e r n e t ) 中每个终端几乎都有一个用户，至少拥有一个p 地 址，资源定位和信息传输依赖于终端设备的i p 地址标识，网络以地址为中心并 以传输数据为目的。而在无线传感器网络中，一个用户拥有的终端数量远远高 于i n t e m e t ( 成百甚至上千个节点对应一个用户) ，不可能为每个节点都赋予全网惟 一的i d 号，节点d 号与节点地理位置没有必然联系，传感器节点一般直接将检测查 询的事件报告给网络，并不通告给某个确定i d 号的节点，所以网络以数据为中心。 与无线蜂窝网络和无线宽带接入网等其它网络不同，无线传感器网络是面向具体应 用的，针对不同的应用，无线传感器网络可以有不同的设计策略。并且，无线传感 器网络更加重视设备与设备之间的通信，关心如何将节点处采集的数据穿越复杂危 险的环境传送出去。而在处理发送任务过程中，如何降低能量消耗使得这种能量受 限的信息采集系统能够更长久的工作是此类网络特别关注的问题 1 9 2 l 】。近年来学 者们的研究重心主要集中在基于多层协议框架，在各层协议中单独设计能量节省策 略的研究范畴。随着人们对这种网络所能提供的服务提出愈来愈高的要求，在网络 协议栈中通过对各层协议单独进行优化设计，从而有效地利用有限的能量资源，已 经逐渐无法满足人们的任务需求。令人向往的应用、苛刻的任务需求和有限的自身 资源，面对诸多矛盾，要使无线传感器网络在尖锐矛盾的条件下最大限度地发挥自 身的优势，路在何方? 1 1 无线传感器网络概览 数据网络的雏形出现在二十世纪五十年代，那时人们用通信链路将中央处理器 与远程终端和其它外围设备连接起来。到了六十年代，随着外围设备数目的迅速增 加，出现了远程多路复用器和集中器，这种设备将同一地区的一系列外围设备的传 输集中起来然后通过一条通信链路传输到中央处理器，以取代为每一个外围设备保 持单独的通信链路的奢侈做法。集中式的网络在各地不断发展，为了连接地理上分 散的计算机系统，在1 9 7 0 年左右，诞生了i n t e r n e t 的前身一最早的大范围多用途的数 据网络a r p a n e t 和t y m n e t 。在这种网络中，各种各样的计算机终端通过子网相 连，子网节点主要任务是为消息提供在子网中的路由，我们称之为接口消息处理器 ( i n t e r f a c em e s s a g ep r o c e s s o r , i m p ) 或者交换机。到了二十世纪八十年代，不同类型 一2 一 第一章绪论 的数据网络不断涌现，为了实现不同网络间用户互相传送数据，越来越多的网络通 过网关和网桥相互连接，一个典型的例子就是i n t e r n e t 。与有线网络发展史比较，无 线网络发展的历史似乎更早最早的无线网络始于中国古代的西周( 公元前1 0 2 7 年 一公元前7 7 1 年) ，那时戍守边疆的战士用燃起的烽火传递战场的信号。用现代信息 论来解释，这种原始的通信方式就是无线视距传输，传输的消息是二进制符号串。 与原始的二进制视距传输不同，1 8 9 5 年，m a r c o n i 在1 8 英里外的拖船上成功地接收了 从怀特岛( i s l eo f w i g h t ) 发来的无线电信号，虽然这种电报技术传递的消息同样采 用二进制字符串，但它完成了无线通信从使用狼烟信号到使用无线电信号的历史跨 越。自此，无线通信技术驶入了蓬勃发展的快车道。数字电路和射频电路制造工艺 技术、大规模集成电路技术以及其它微型化技术的进步不断激励无线通信工业走向 成熟。随着贝尔实验室在二十世纪六十年代和七十年代提出蜂窝概念，无线通信的 新时代开启了。为不断追求无线终端更小、更便宜和通信更可靠的目标、现在无线 通信技术正经历着百余年来最迅猛的发展。 无线网络就是网络中的节点彼此之间通过无线信道进行通信 2 2 】。按照拓扑 ( t o p o l o g y ) 划分，无线网络分为有组织网络( i n f r a s t r u c t u r en e t w o r k s ) 和自组织网 络( a dh o en e t w o r k s ) 2 3 - 2 7 】。有组织网络已经事先布置了通过线缆连接的骨干设 施( 譬如基站b a s e s t a t i o n ) ，仅仅从骨干设施到终端的最后一跳( t h el a s th o p ) 是通 过无线通信的。而在自组织网络中，所有的通信链路都是无线链路。自组织网络就 是不需要任何骨干设施的协助，网络中的节点自力更生，节点间协作完成必要的控 制和组网任务，从而实现自我配置( s e l f - c o n f i g u r e ) 组织成网的目的。有组织无线 网络中骨干设备一般拥有较多的可支配资源，同时可以集中控制辐射范围内的其它 节点，便于管理网络，但也带来了潜在的危险。如果将网络中的节点比喻成易碎的 鸡蛋而把控制节点比作竹篮的话，就象一句谚语所说“不要将鸡蛋都放在一个篮子 里，一旦骨干节点“这个篮子一打翻一不能正常工作，将会导致“篮子里的所有 鸡蛋都会打破整个网络的瘫痪。与有组织网络这种等级架构不同，自组织无线 网络属于平行架构，没有骨干设备，通过单跳通信( s i n g l e h o p ) 把任务简单地交给 骨干设备了事的美差也随之消失，取而代之的是一个个能力有限的节点，通过多跳 通信( m u l t i p l e h o p ) 将任务传递给需要它的目的地，网络中所有节点通过分布式控 制算法协调彼此的行为不受冲突和干扰，从而有组织网络“放在一个篮子里一的鸡 蛋在自组织网络中被分散到所有节点里存放了，降低了控制节点被毁的概率，当然 也就提高了整个网络的可靠性。从这个角度讲，有组织网络又可称为单跳网络，自 组织网络称为多跳网络。 无线传感器网络就是由部署在观测区域内大量具有感应单元、计算单元和无线 通信单元的传感器节点组成的网络【2 2 】。感应单元负责从周围自然环境中感应和 一3 一 上海交通大学博士学位论文 采集相关数据，比如装配振动感应模块的传感器可以采集通过地表的地震波信息、 装配红外感应模块的传感器则可以采集经过扫描区域的移动物体的位置和速度信 息、装配温度感应模块的传感器可以感知被测物体的温度变化等等；计算单元负责 对采集的数据进行前期简单的处理，包括对模拟信号进行抽样、量化和编码，运用 数据融合技术压缩原始数据等等；无线通信单元负责将本地处理过的数据发送到下 一跳( t h en e x th o p ) 节点或者直接发送到汇聚节点( s i n kn o d e ) 。汇聚节点负责收集 网络中所有节点的数据，经过信息融合以后将生成最终的结果，或者是汇总数据， 或者是最终决策，如图1 1 所示。从网络拓扑的角度看，无线传感器网络属于自组织 网络 3 3 3 5 。本文只考虑无线通信单元的设计问题，感应单元和计算单元的设计不 在本文的讨论范畴之内。 图1 1一个无线传感器网络例子 无线传感器网络因其自身的特点，在诸多方面具备得天独厚的优势。网络拓扑 自组织使其能够快速布置并快速组织成网，节约了建网成本和组网时间。节点之间 通信不依靠中心设备的调度，而是通过分布式算法进行控制和通信，大大降低由于 个别设备的损坏而影响整个网络性能的危险，提高了整个网络的鲁棒性( r o b u s t ) 。 传感器节点采用电池供电，便于在恶劣的自然环境中或者待检材料物理介质内部进 行铺设，快速采集有效信息。由于近年来超大规模集成电路( v l s i ) 技术的日益成 熟，更多的信号处理功能能够集成到一块芯片上，使得节点的体积大大缩小，制造 成本大大降低，使其可以在各种复杂危险的环境中大面积铺撒，提高了网络的冗余 性。所以，军事国防、环境监控、抢险救灾、交通控管、建筑检测等诸多领域都是 无线传感器网络大显身手的地方。我们在此列举一些典型的应用。 1 军事应用：在战场上，以最小的伤亡代价采集敌人后方的军事信息是至关重要 的，无线传感器网络无疑可以胜任这个任务。通过飞机或者导弹将传感器节点 一4 一 第一章绪论 抛洒到敌人后方，传感器节点可以迅速自我配置成网络，然后通过诸如感应地 表地震波等方式，为我方提供准确的敌方重装备兵力方位坐标等有效信息。即 使一部分传感器节点遭到敌人破坏，由于网络的冗余性和自组织性，剩余的节 点仍能完成采集数据的任务。 2 环境监控：我国自然保护区面积广大，派遣科考人员到实地监测动物栖息或者 环境变化显然不太现实。无线传感器网络可以成为科考人员的“第三只”眼 睛，能够长期并且准确地采集相关的数据。而深入比较危险的环境进行监测更 是传感器网络的看家本领，比如监测活火山的活动情况，核辐射区域的辐射情 况等等。 3 抢险救灾：对于发生自然灾害的地区，迅速组织抢险救灾是非常重要的。在基 础设施已经遭到严重破坏的灾区布置无线传感器网络能够实时监控并迅速报告 灾情，为后续的援助行动及时并准确地提供第一手资料。 4 建筑检测：电池供电的微型传感器为实时检测建筑材料的安全状态提供了可 能。将这种微型传感器浇筑到建筑物中，可以从内部感应建筑物的状态信息， 从而可以科学反应建筑物的使用年限，避免安全隐患。 总而言之，无线传感器网络革命性地改变了人们感知物理世界的方式，极大地 拓展了人们认知世界的能力。无线传感器网络的应用前景十分广阔，仅仅受制于人 们的想象。然而，对它满怀希望的同时，我们还需保有客观的谨慎，因为如何利用 传感器自身天生匮乏的资源去完成这些任务需要做更深入的研究，而在无线传感器 网络能量受限的前提下如何通过设计通信策略在完成任务的同时尽可能地降低能耗 又是重中之重的技术难题。采用什么系统设计方法才是能量受限的无线传感器网络 充分发掘自身潜能来应付苛刻任务的必由之路呢? 无线传感器网络的能量消耗总体 上包括电路能量消耗和发送能量消耗，而电路能量消耗主要是接收信号的硬件电路 和发送信号的硬件电路所产生的能量消耗【3 6 。由于相对于发送能耗，这部分能耗 较少，本文不予考虑。需要说明的是，本文建立的优化模型可以通过加入这部分能 耗方便地进行拓展。 1 2 必由之路 无可否认，模块化的设计理念极大地推动了世界科技的快速发展。鲁棒性、易 操作性、易于标准化和能够并行设计等与生俱来的优点已经使得模块化设计渗透到 了科学技术的方方面面，譬如j o h nv o nn e r m a n n 架构之于计算机系统，分层架构之于 网络系统，s h a n n o n 架构之于通信系统等等都是模块化设计理念决定性地推动科技发 展的生动例子【3 7 。计算机网络无疑是它最大的受益者之一，人们所熟知的开放系 一5 一 上海交通大学博士学位论文 统互联( o s i ) 七层协议架构+ 就是基于这一理念应运而生的【3 8 。o s i 架构模型在 计算机网络的成功具有如此深远的影响，以至于科学家们在设计无线网络时自然而 然的想到了它。然而，世界上没有两片绝对相同的叶子，无线网络的特殊性在于它 的无线媒介。无线媒介帮助网络终端摆脱线缆约束的同时，也带来了两大缺陷一由 多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 、多普勒频移( d o p p l e rs h i f t ) 和干扰引发的随机性和 由有限带宽和限制功率引发的资源有限性。利用无线媒介的广播特性进行通信，同 时抑制由于广播性和随机性对系统性能造成的不良影响，为具有不同通信模式的有 线网络量身订做的七层协议架构显然不能照搬到无线网络中，科学家们通过分析无 线网络的功能特点，建立了无线网络的“o s i 一物理层、媒体接入控制( m a c ) 层、网络层和应用层。 如图1 2 所示的网络协议架构为网络协议提供了模块化管理，每一层协议的具体 设计仅仅考虑事先定义的与相邻层协议的接口，决不允许出现跨越协议架构与非邻 层协议直接对话的情况，具有良好的封装性。但是物极必反，付出的代价是每一层 协议只能对相邻层协议性能出现的动态变化做出调整，而如果非相邻层协议性能出 现动态变化将由于邻层协议的封装而被屏蔽，系统整体性能的适应性不可避免得大 打折扣【3 9 。造成的后果是针对某个无线网络提出的具体性能要求，它只能在各层 协议中单独进行性能优化，忽略了同一性能指标在网络协议之间可能存在的相互依 赖性，优化的结果注定具有先天不足，因此是次优的【4 0 。 在有线网络中，由于各层协议设计的理念是运用过剩的可支配资源来弥补可能 出现的网络性能下降，采用次优的资源分配算法并不是主要矛盾。但是在可支配资 源有限的无线网络里，再加上具有随机性的无线媒介的雪上加霜，这个矛盾显然就 变得尖锐起来，尤其在资源贫乏的无线传感器网络中，为了满足特定的性能指标， 变不可能的任务为可能，如图1 3 所示的跨层优化设计势在必行，它打破了固有的协 议架构的制约，综合考虑性能指标在各层协议中的影响，从而能够真正实现性能指 标的全局最优化。实际上，无论是分层设计与优化以及跨层设计与优化，无不是利 用数学理论工具对实际系统进行近似数学描述，如何在尽可能的将数学模型的描述 与实际系统的具体操作一一对应的基础上，尽量简化数学模型的复杂度，降低数学 求解难度，同时兼顾工程上的实用性和可拓展性，是采用优化理论解决实际问题的 关键所在。概而言之，模块化架构与系统性能之间的博弈主导了无线网络性能优化 的“合久必分，分久必合。 1 3 历史与动机 歌德曾说过：“一门科学的历史就是这门科学本身。 无线传感器网络本质 上就是一个能量约束的无线a dh o c 通信系统，无线传感器网络的研究历史就是无 。注：七层协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层以及应h j 层。 一6 一 第一章绪论 图1 2网络分层协议框架模型 线a dh o c 网络的研究历史，同时也是能量约束的无线系统的研究历史。无线传感器 网络的研究起步于上世纪9 0 年代，历史虽然很短，但是能量受限的网络研究从信 息论的完善到通信系统的开发却要追溯到上世纪六十年代。s h a n n o n 在1 9 4 8 年发表 了一篇题为通信的数学理论( am a t h e m a t i c a lt h e o r yo fc o m m u n i c a t i o n ) 的论文 开启了通信理论研究的大门。在文中s h a n n o n 证明了信道编码定理( c h a n n e lc o d i n g t h e o r e m ) 一信道以它的容量( c a p a c i t y ) 为特征，如果信源( s o u r c e ) 的信息速率比 信道容量小，则只要经过适当的处理，它就可以以任意小的错误概率通过这个信道 传输信息。反之，如果信源信息速率超过信道容量，则无论采用什么处理方式，在 传输过程中都无法避免信息损失，从而为现代通信系统奠定了理论基础【4 l - 4 3 】。 如果说s h a n n o n 是现代通信理论鼻祖的话，那么g a l l a g e r 就是探索能量受限的条件下 可靠通信( r e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n ) 领域的先行者。在能量受限条件下的信道容量 与s h a n n o n 讨论的信道容量有明显不同，因为以任意小的错误概率传输信息意味着 传输的信息在信号空间中必须被分隔得任意远，这就要消耗任意多的能量，从而在 一7 一 卜海交通大学博士学位论文 图1 3网络跨层协议框架模型 能量受限的情况下，不可能以任意小的错误概率来传输信息。为此，g a l l a g e r 提出 了可靠通信的新概念，定义了单位能量下的容量来作为能量受限下的可靠通信的度 量【4 4 1 。此后，渐有学者投身到这个新兴领域，不断完善在能量受限下的信息理论 【4 5 _ 4 8 】。其中比较重要的成果是，g o l d s m i t h 采用比特( b i t s ) 来度量有限能量下信 道的容量【4 8 】。这个概念对于能量受限网络的研究是十分重要的，因为它说明了在 满足给定某些非零比特错误概率的前提下，用有限的能量能够传输的比特数量的最 大值，也就是说在节点耗尽自身能量之前仅仅只有有限数量的比特可以发送。在完 成了对能量受限的信息论的理论准备之后，如何在它的指引下设计具体的通信系统 成为学者接下来特别关注的学术问题。 1 1 1 g a l l a g e r 来，无数学者将研究兴趣转移到了能量受限的通信系统理论研究 上，在经历了数十年的发展之后，我们今天用历史审视的目光看待这一学科，会发 现：整个能量受限下的通信系统研究的历史，几乎就是分析节点如何分配有限的比 特用以维持与其它节点的通信来执行不同的任务的历史，几乎也就是寻找合理的通 一8 一 第一章绪论 信策略来使发送数据速率尽量接近单位能量下的信道容量的历史，与之等价的命题 是寻求每比特最小能量消耗的通信策略。由此衍生了发送多少数据，以什么速率发 送数据，通过哪些路径发送数据才能在完成任务的同时尽可能的节约能源等等学术 问题，涉及到各层网络协议的具体操作。而用户们对于通信网络提出愈来愈高的 性能要求又迫使学者们走过了分层优化性能指标再走向宁可打破现有网络架构的 约束而寻求层与层之间对性能指标的自适应的跨层优化道路，从而把跨层优化方 法从幕后推上了能量受限网络的能耗问题研究的前沿。在这个过程中，愈发成熟 的优化理论，尤其是非线性优化理论的逐渐完备起到了催化剂的作用。按照网络 协议架构的划分，我们将纷繁复杂的能量有效性研究分为以下几类：1 ) 物理层分 析；2 ) m a c 层分析；3 ) 网络层分析；4 ) 跨层分析。本章将逐次予以讨论。 1 3 1 物理层分析 可以这么说，正是由于无线网络在物理层采用无线信道进行通信，无线网络的 各层协议才不得不各尽其能来对抗引进无线媒介所带来的诸多通信难题，包括单位 带宽下相对较低的信道容量、由于多径衰落( m u l t i p a t hf a d i n g ) 引起的随机幅度和相 位波动、由于延迟拓展( d e l a ys p r e a d ) 引起的码间干扰( i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e ) 以及由于电磁波的广播特性( b r o a d c a s t ) 引起的其它节点对本地节点的干扰等问 题。物理层的设计目标就是用尽可能少的能耗来克服上述这些信道损伤，从而尽可 能使发送数据速率接近信息论中提到的信道容量。采用信道编码是一个途径，通过 针对性地设计信道编解码模块使其更接近实际的无线媒介，降低了比特错误概率 ( b e r ) ，从而在满足给定b e r 的前提下，降低发射功率 4 9 ，5 0 】。然而，这种设计 方案以占用信道带宽和降低数据速率为代价，并且增加了硬件电路的设计复杂度以 及设计成本，在尺寸微小且数量庞大的无线传感器网络中应用这种技术显然是不现 实的。如果说面对无线信道的诸多技术挑战，信道编码技术是被动模拟的话，那 么采用多天线技术( m u l t i p l ea n t e n n a s ) 就是不得已而为之的主动复制。由于不同无 线信道的衰落是独立的，同一信号经过不同无线信道同时衰落的概率大大降低， 设计者从这里获得灵感，在物理上通过增加天线个数人为增加同一信号的多个复 制，显著减少了衰落对于接收信号的影响，因此降低了b e r ，也就降低了发射功率 【5 1 ，5 2 。由于遇到与信道编码一样的原因，在传感器网络中应用这种技术也是十分 困难的。 功率控制( p o w e rc o n t r 0 1 ) 通过控制发射功率维持信道的信干噪比( s i n r ) 在 给定的阈值之上，达到降低对邻节点( n e i g h b o r i n gn o d e s ) 的干扰的目的 5 3 - 5 5 。 由于在不明显增加系统复杂度的条件下，能够有效节约能量，因此将功率控制应用 到无线传感器网络中成为可能。然而，仅仅在物理层实现功率控制，将会出现网络 中的每个节点都竭力达到自己的s i n r 值，而全然不顾个人行为可能导致的整体网 一9 一 一卜海交通大学博士学位论文 络性能下降，比如引起网络拥塞( n e t w o r kc o n g e s t i o n ) 或者可能造成由于个别节点 被过渡使用而致使整个网络的瘫痪【5 6 】。溯其根源，是因为网络拥塞等参数不是物 理层需要考虑的性能指标，解决这些问题的办法只能在能“看见一它们的地方去寻 找，即上层协议。此外，发射功率的辐射范围决定了邻节点，相应得就决定了接入 ( a c c e s s ) 、路由( r o u t i n g ) 等上层协议的策略。因此，功率控制在跨层设计过程中 起着非常关键的作用 4 0 。本文就是从调节发射功率出发，结合发射功率对各层协 议的影响，采用跨层优化设计方法对无线传感器网络的能量节省问题进行研究。 1 3 2m a c 层分析 由于无线媒介的广播特性，不同的用户为了避免同时发送信号时造成相互间 发生干扰，必须要协调共享媒介的频谱( s p e c t r u