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无线传感器网络中vMIMO路由的能量有效性研究

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 无线传感器网络概述

1.1.2 WSNs中的能量有效性研究

1.1.3 问题研究意义

1.2 本文的主要研究内容

1.3 本文的组织结构

1.4 本章小结

第二章 WSN中vMIMO路由的能量有效性相关工作

2.1 基于vMIMO路由的能量有效性问题的研究现状

2.1.1 vMIMO能效路由研究现状

2.1.2 协作通信中能效路由研究现状

2.2 当前研究工作中存在的问题

2.3 本文的研究动机与挑战

2.4 本章小结

第三章 基于vMIMO的能量最小路由问题研究

3.1 vMIMO网络传输模型

3.1.1 模型描述与假设

3.1.2 vMIMO能耗建模

3.2 问题描述与分析

3.3 能量最小的vMIMO路由方案设计

3.4 算法性能分析

3.5 实验模拟

3.5.1 实验设置

3.5.2 实验结果与讨论

3.6 本章小结

第四章 基于vMIMO的生命期最优路由问题研究

4.1 问题描述与分析

4.2 面向生命期优化的vMIMO路由方案设计

4.3 算法性能分析

4.4 实验模拟与讨论

4.4.1 实验设置

4.4.2 实验结果与讨论

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

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摘要

随着信息技术和移动互联网的发展,人与人、人与物、物与物的联系正在逐渐加深。无线传感器网络(WSNs)作为推动物联网蓬勃发展的关键性技术,吸引了学术界和工业界的广泛关注。作为一种新的网络形态,无线传感器网络架起了人与物信息交流的桥梁,在医疗护理、环境监测、军事安全等领域获得丰硕的应用成果。然而,在大规模应用部署之前传感器网络仍然受到一些关键性问题的困扰,特别是能效问题,严重影响网络的部署规模,制约网络使用寿命。
  传感器结点往往体积小、结构简单,携带的能量有限。在能源补充、替换手段受到环境因素制约时,降低节点能耗,提高能量有效性成为延长网络寿命的主要途径。在众多节能方案中,基于虚拟多输入多输出(vMIMO)技术的能效路由逐渐成为研究热点。本文基于大量vMIMO路由的研究成果,针对当前研究中普遍存在的不足,构建了一个简洁有效的vMIMO传输模型并开展能量有效的路由研究。本文的传输模型摆脱了固定结构如分簇的约束,放开了合作传输模式的自由选择,从而保证相关算法能够充分发掘空间分集带来的能效优势。在此之上,本文针对能效的能量、生命期优化问题分别展开路由方案与算法设计:
  (1)基于vMIMO的能量最小路由问题。该问题关注路由过程中各节点的整体能耗水平,要求路由方案寻找一条从源节点到目的节点的最节能转发路径。针对此问题,本文基于Bellman-Ford算法,提出了一个分布式的能量最小的vMIMO路由算法(DEMVA)。它通过构造虚拟合作图来转化vMIMO传输中节点间的合作关系,形成统一的路由计算,最后分布式求解得到能耗最少的路由。从虚拟合作图中的节点、链路组成入手,本文给出了该算法时间复杂度和消息复杂度的详细分析。实验结果表明,本算法能够充分挖掘节点间的vMIMO合作传输关系,实现最优的算法性能。例如,该算法比传统的路由方案平均可以节省30%左右的能量消耗。
  (2)基于vMIMO的生命期最优路由问题。当vMIMO路由仅关注总体的能量消耗,而忽略路径中节点的剩余能量水平时,随着时间的推移网络中将会出现路由中断、拓扑变动等问题,从而影响节能的实际效果。因此,本文从路由生命期优化的角度进一步探究能量有效性,提出了一个分布式的面向生命期优化的vMIMO路由算法(DLOVA)。该算法首先借鉴最短路径算法思想,计算非合作条件下的生命期最优路由,在此之上构建节点间的vMIMO合作传输,通过多次迭代不断延长路由的生命期。经过理论分析,该算法能够实现近似比为4的性能保证。实验结果表明,本算法展现出明显的性能优势,例如在密集拓扑下,相对于协作通信中的路由算法平均可以延长20.2%的生命期。

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