[发明专利]一种基于次梯度投影的无线传感器网络资源分配优化方法

说明书

本发明涉及一种基于次梯度投影的无线传感器网络资源分配优化方法，属通信技术系统资源分配领域。本发明充分考虑误码率约束、速率约束、功率约束和信道容量等符合实际网络情况的约束,针对无线传感器网络，以优化速率和降低总功耗为目标，建立了无线传感器网络最优化数学模型；所采用的次梯度投影法，存储需求少，能有效地求解带约束且在凸集上不可微的优化问题；当优化解沿着下降方向迭代时，可能会导致不可行的点，投影次梯度法通过对负梯度进行投影保证迭代可行性，保持求解结果的准确性，降低了计算量，本发明提出一种基于次梯度投影的无线传感器网络资源分配优化方法。仿真结果表明，与梯度和子梯度方法相比，基于次梯度投影的无线传感器网络资源分配优化方法具有更好的收敛性，能够更有效地优化无线传感器网络的速率和功率，降低无线传感器网络系统能耗。

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤指一种基于次梯度投影的无线传感器网络资源分配优化的实现方法。

背景技术

无线通信技术正飞速发展并日趋成熟，运用无线通信技术进行数据采集、传输及通信的方案被广泛采用。无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由无线通信技术组成的网络系统，集结了传感器、单片机和网络三大技术，通过采集、感知和处理网络覆盖范围内感知对象的传输数据，能实时监测、感知与传输网络所在区域信息，被广泛地应用于军事、国防、医疗、航空和工业等各个领域。无线传感器网络传输数据通过节点自组织和多跳的方式组网，节点具有双重功能，能进行数据采集和融合转发数据。节点把搜集到的数据信息以及接收到的来自其他节点的数据信息进行处理和融合，并把处理后的信息发送给用户，对信息的获取和处理带来了一种全新的方式，对未来信息时代的发展产生巨大的影响。

目前无线传感器网络技术仍处在快速发展阶段，低功耗和高性能是其发展方向之一。然而，由于节点的能量有限，使得传感器的寿命有限，那么，延长传感器的节点寿命，提高传感器节点能量的利用率是需要迫切解决的问题。由于无线传感器网络节点一般是用能量有限的电池来供电的，并且无线传感器网络所应用的环境通常来说都比较恶劣，所需能量较大，对于工作人员来说更换电池是极其困难，所以追求节点的低功耗称为了研究与设计无线传感器网络主要设计准则之一。在现有研究中，部分研究只考虑低功耗这一指标而降低传输功率，使得传输数据的准确度及传输距离等性能降低，有的提高了传输速率使得传输性能大大提高，但增加了功耗。本发明均衡无线传感器网络高性能与低功耗两需求，利用功率与速率两个指标对性能与功耗进行量化，建立性能与功耗相结合的模型，从而得出协调性能和功耗的最优功率与速率指标，从而能更加高效利用无线传感器网络中有限的能量资源。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出基于次梯度投影法的无线传感器网络资源分配最优化数学模型，并提出相应的资源分配优化方法，可有效减少网络系统的能量消耗，从而提高无线传感器网络性能和服务质量，主要包括以下步骤：

建立无线传感器网络资源分配最优化数学模型：

假设无线传感器网络是由K(k＝1,2,...,K)个传感器节点和L(l＝1,2,...,L)条链路组成的连通守恒系统。无线传感器网络能耗主要由两部分组成：第一部分是非发射设备和发射设备所产生的总耗能，分别记为E_e和E_a，当无线传感器节点传输数据时，节点传输数据的耗能E_t可以表示为：

E_t＝E_e+E_a

其中β为常数，R为该节点的传输半径，γ为所在路径的衰减因子，η_a为发射器的放大率；第二部分是传感器节点在单位时间内接收单位数据的总耗能，记为E_r,满足：