網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中WSN幾個關(guān)鍵問題的研究.pdf

1、以互聯(lián)網(wǎng)為標(biāo)志的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步推動了各種分布式新型應(yīng)用系統(tǒng)的演進和發(fā)展。測控網(wǎng)絡(luò)這種開放式、數(shù)字化、多點通信的應(yīng)用于制造、監(jiān)控、自動化的底層網(wǎng)絡(luò)的加入，使原本獨立發(fā)展的信息網(wǎng)和測控網(wǎng)，正在越來越深入地融合為一體，網(wǎng)絡(luò)從而成為一種包羅萬象的綜合技術(shù)平臺，催生了大量新概念和新的應(yīng)用模式。以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為感知手段，基于網(wǎng)絡(luò)化測試平臺的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是其中引起廣泛關(guān)注，極具生命力的代表． 網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著測控服務(wù)

2、現(xiàn)場化、遠程化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化的任務(wù)，是近年來非?；钴S的熱點領(lǐng)域，研究內(nèi)容極其豐富．本文簡要介紹了相關(guān)的研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀，在對網(wǎng)絡(luò)化測控系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本框架與問題充分了解的基礎(chǔ)上，集中研究了提高WSN節(jié)點信號調(diào)理質(zhì)量的無漂移濾波器技術(shù)、有效延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命、具有能量有效性的最低能量保護分簇新算法和新的協(xié)議機制及基于對策論框架的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)通信節(jié)點功率控制策略等具有共性的基礎(chǔ)問題。主要內(nèi)容包括： (

3、1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知精度以傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊獲取的原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量為基礎(chǔ).承擔(dān)傳感器信號前置放大、濾波、去噪功能的信號調(diào)理電路是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，也是設(shè)計中最為困難的環(huán)節(jié)．在WNS廣泛應(yīng)用的海洋監(jiān)測、地質(zhì)勘探、土建、生物醫(yī)學(xué)和電化學(xué)等領(lǐng)域的低頻微弱信號傳感、檢測系統(tǒng)中，系統(tǒng)靈敏度常達μV甚至nV量極，這時漂移是同噪聲一樣嚴(yán)重的問題。本文研究了建立原理上無信道附加漂移的新型有源低通濾波系統(tǒng)理論及實現(xiàn)方法，包括拓撲結(jié)構(gòu)、靈敏度分析、

4、與傳統(tǒng)有源低通濾波器的比較、參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型和算法設(shè)計等，致力于解決傳統(tǒng)低通濾波器抑制噪聲的同時引起附加漂移的矛盾，簡化傳感與檢測系統(tǒng)設(shè)計，提高WSN節(jié)點信號調(diào)理質(zhì)量并降低系統(tǒng)成本。 (2)能量有效性是WSN的研究重點，涉及到系統(tǒng)設(shè)計的每一個層面。簡單、靈活、能量高效的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制是倍受重視的解決方案之一。本文對已有的主要拓撲控制算法進行了探討，重點研究經(jīng)典的LEACH分簇協(xié)議存在的問題與改進方案，致力于建立有效延長無線傳感器

5、網(wǎng)絡(luò)壽命，具有能量有效性的拓撲控制新算法和新的協(xié)議機制。 (3)將對策論引入WSN領(lǐng)域，研究了對策論框架下的分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)功率控制問題，致力于為功率分配的中心化控制和非中心化控制提供一個新的分析框架，促使節(jié)點優(yōu)化其關(guān)于資源利用的評價函數(shù)，以實現(xiàn)整個簇的能量有效性最大化而達成系統(tǒng)最優(yōu)。 本文的主要貢獻與創(chuàng)新如下： (一)提出了任意階無漂移全極點有源低通濾波器從拓撲結(jié)構(gòu)，性能分析到參數(shù)優(yōu)化的完整理論和方法

6、。導(dǎo)出了它的最簡形式，證明在WSN節(jié)點中無需高品質(zhì)濾波放大器，提高了節(jié)點信號調(diào)理質(zhì)量并降低了系統(tǒng)成本。其要點是： (1)引入了無漂移濾波的概念，提出無漂移基本節(jié)電路，并推廣到任意階全極點有源低通濾波系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的低通濾波器相比切實具有良好的低漂移、低元件靈敏度特性．解決了傳統(tǒng)低通濾波器抑制噪聲的同時引起附加漂移的矛盾，適于WSN節(jié)點高性能和低成本的要求． (2)提出了一種無漂移全極點有源低通濾波器ω和Q敏度的分析方法，并

7、驗證了其正確性?？梢源朔椒ê啽愕那蠼庀到y(tǒng)的ω和Q靈敏度，進而調(diào)整電路參數(shù)直至達到設(shè)計要求。對一般的濾波器靈敏度問題，該方法普遍成立。 (3)證明系統(tǒng)總的Schoeffler多參數(shù)靈敏度與設(shè)計中自由變量的取值無關(guān)。并據(jù)此導(dǎo)出了無漂移有源低通濾波器參數(shù)設(shè)計的最簡形式，使得計算公式大為簡化，同時使元件種類減少一半。 (4)根據(jù)統(tǒng)計靈敏度測度的定義，通過理論推導(dǎo)提出了對任意階無漂移全極點有源低通濾波系統(tǒng)的統(tǒng)計靈敏度進行優(yōu)化的方法

8、，通過低階系統(tǒng)模型驗證了該方法的可行性，并得出結(jié)論全部自由變量β<,i>均為1時系統(tǒng)靈敏度最低。 (5)導(dǎo)出并驗證了放大器非理想情況下濾波系統(tǒng)實際參數(shù)的計算公式，證明典型運放的有限帶寬和有限增益對濾波器參數(shù)設(shè)計值的影響非常微小，對實際系統(tǒng)中使用的無漂移低通濾波器，用理想運放模型即可獲得足夠的設(shè)計精度。 (二)提出了新的最低能量保護分簇算法LEP，并以簇首與匯聚點間的鏈?zhǔn)蕉嗵ㄐ湃〈鶯EACH的單跳通信，建立了能量有效的新

9、的WSN分簇與傳輸協(xié)議。與LEACH相比，LEP擴大了應(yīng)用范圍，均衡了節(jié)點能耗，并顯著延長了WSN的全網(wǎng)生存時間。要點如下： (1)在深入分析LEACH協(xié)議基本算法存在問題的基礎(chǔ)上，建立了均衡WSN節(jié)點的能量消耗的最低能量保護分簇新算法LEP。其基本思想是保護剩余能量最低的節(jié)點，使其盡可能離簇首最近，從而均衡節(jié)點的剩余能量水平，通過盡可能延長能量最小節(jié)點的壽命，達到延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間的目的。 (2)以簇首與數(shù)據(jù)匯聚

10、點之間的鏈?zhǔn)蕉嗵ㄐ艡C制取代LEACH協(xié)議簇首直接將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)匯聚點的單跳機制，結(jié)合最低能量保護分簇算法和多跳路由的優(yōu)化，構(gòu)成了分簇結(jié)構(gòu)WSN新的分簇與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，我們稱其為LEP協(xié)議。與LEACH相比，LEP協(xié)議擴大了協(xié)議的應(yīng)用范圍，增加了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)生存時間，提高了基站的數(shù)據(jù)接收量。 (三)將對策論引入WSN，提出了對策論框架下功率控制策略，為功率分配的分布式實現(xiàn)提供了新的思路，改進了中心化控制方式的不足，要點

11、包括： (1)給出了以納什均衡理論為基礎(chǔ)的時隙分配模型，通過分布式算法減輕了簇頭的分配時隙的負擔(dān)，從而節(jié)約了能量。 (2)給出了以Stackelberg理論為基礎(chǔ)的功率控制模型，簇內(nèi)節(jié)點利用帶有激勵的收益函數(shù)，通過納什均衡的自我強制性，使得各節(jié)點在系統(tǒng)最優(yōu)點達到納什均衡。從延長網(wǎng)絡(luò)壽命角度對原收益函數(shù)進行的改進，使得整個簇的壽命得以延長。 (3)將納什一澤森談判理論應(yīng)用到功率控制中，最后獲得的談判解是納什均衡解