基于能量采集的无线传感器网络中的优化能量控制

Wireless sensor network is a key tool to realize environment monitoring and ocean exploring, and the energy harvesting technology can extend the lifetime of wireless sensor networks significantly. Therefore, research on energy harvesting based wireless sensor networks becomes more and more important. This project is focused on the information compressibility due to the correlation among information collected by sensors and the information distortion due to the randomness as well as the limitation of energy harvesting process. The transmission efficiency and information precision are improved by optimal energy scheduling. The optimal energy scheduling policy will be solved using tolls from information theory and convex optimization. The performance limits of the network and the scaling law of network distortion with the number of nodes and the energy harvesting rates will also be presented in details, and thus providing insightful suggestions for the implementation of energy harvesting wireless sensor networks.

无线传感器网络是实现环境监测和海洋探测的重要手段，能量采集技术可大幅提高网络的工作寿命和应用范围，使基于能量采集的无线传感器网络的相关研究愈加重要。本课题面向基于能量采集的无线传感器网络，深入分析节点采集数据之间的相关性带来的数据可压缩性，能量采集过程的随机性和有限性带来的数据失真性，设计网络失真最小化的能量控制策略，通过优化节点发射功率来提高数据传输效率和数据恢复精度。课题将采用网络信息论、检测与估值理论与优化理论相结合的方法，求解易于实施的在线式能量控制策略，阐明网络的能量收集能力影响网络失真的尺度变化规律，为实践中基于能量采集的无线传感器网络的规划和优化提供建议。

无线传感器网络能够加强人类认知世界和自然的能力，是实现各种智慧感知应用的关键支撑技术之一。利用能量收集技术延长无线传感网络的工作寿命，并在有限的能量条件下，提高信息感知的准确性和信息传输的时效性，是无线传感网络设计的核心目标。本项目利用信息论、随机过程、排队论和优化理论，显式刻画了网络感知的失真性能极限和时效性能极限，并在此基础上设计优化的节点发射功率控制算法，以较低的复杂度和计算时间逼近系统最优解。所取得的重要结果包括：（1）针对基于能量采集的相关信源传输系统，显式表示系统可达的失真性能极限，分别设计了失真优化的离线式和在线式的功率控制策略；（2）针对基于正交多址接入的多源感知网络，显式求解了联合信源-信道编码、分离信源-信道编码系统的信息失真，以及分离信源信道编码优于联合信源信道编码机制的信噪比边界条件，设计了纯贪婪算法、群贪婪算法、顺序贪婪算法，以及混合编码机制以求解最优的编码方案；（3）基于信息年龄理论对端到端信息传输的时效性进行刻画，基于率失真理论对节点感知精度进行度量，并采用一段时间内信息年龄和信息失真的加权总和为目标，建立多限制条件的优化问题，并设计固定发射功率策略、离线式能量分配和在线式能量分配算法；（4）针对单边有源的双向数据交换，研究采取时隙分割和功率分割的信息交互系统，依据信息论和排队理论，提出辅助函数辅助求解的方法，显示求解上下行的平均信息年龄和数据速率，刻画上下行传输的时效性和能效性极限；（5）提出决策信息年龄的概念以刻画在关键的决策时刻上接收到的信息的时效性，在此基础上，分析使用确定的周期性/随机的泊松观测过程、确定性/随机性服务过程的时效性，以及确定的周期性决策过程和随机的泊松决策过程的信息更新和决策系统的时效性，并求解最优的观测/决策过程参数、刻画达到、服务和决策过程的特性对系统时效性的影响。