基于协作通信及干扰对齐-消除的井下无线可充电传感器网络跨层优化算法研究

The lifetime and communication reliability of wireless sensor networks are difficult to be guaranteed given the complicated underground communication conditions. Charging sensor nodes remotely from the wireless energy sources mounted on the locomotives will be an effective cure for energy related issues in wireless sensor networks. Furthermore, communication capacity and transmission success ratio will be improved remarkably through cooperative communication and interference management methods by exploiting channel resources and multiplexing spatial degrees of freedom of sensor nodes. Beginning with modeling the underground wireless rechargeable sensor networks, firstly, the best relay nodes deployment and assignment strategies in cooperative communication will be taken into consideration. The optimal operation mode selection of sensor nodes under cooperative communication will be obtained in this research, as well. Secondly, the interference management methods adopting both interference alignment and cancellation will be discussed deliberately. The reliability of communication will be increased through establishing aligned interference signal sets, calculating precoding vectors and assigning the best order of interference cancellation. Finally, by exploiting the cross-layer structure of underground wireless rechargeable sensor networks, the cross-layer optimization protocols, such as optimal power control, data link and routing selection, will be also acquired by solving certain cross-layer optimization problems. Therefore, the proposed research possesses comparatively higher theoretical and practical significance.

井下通信环境复杂，无线传感器网络工作寿命与通信质量难以保证。井下机车搭载能量源实现对节点中远距离无线能量补给可有效地解决节点能源问题。同时，协作通信和干扰管理可充分利用信道资源，复用节点通信空间自由度，提高井下无线通信的成功率与容量。本项目拟从井下无线可充电传感器网络建模入手，首先探索井下协作通信模式下的中继节点最优部署与选取，确定节点最优协作通信模式；其次，研究基于干扰对齐-消除机制的节点干扰管理算法，在明确可对齐干扰信号集合的基础上，计算信号的预编码向量，确定干扰消除顺序，优化干扰消除算法，提升网络通信可靠性；最后，通过构建井下无线可充电传感器网络的跨层协议优化问题，借助最优化与非线性规划理论，设计具有合理复杂度和精确性的启发式算法等，获取节点功率控制、链路选取、数据路由算法和能量补给设备的最优工作方法，实现系统层面通信协议的优化，具有重要的理论前瞻性与实际应用价值。

在复杂开放通信环境中，如井下施工中，无线通信往往受到狭小空间反射、多径传输、多输入多输出用户串扰、信道性能波动和节点能量受限等因素影响，同时由于节点移动性，也会降低通信性能。通过无线能量补给，并综合使用干扰管理方法，如串行干扰消除、干扰对齐、干扰消除等手段降低环境噪音和用户间通信干扰，可以有效提高通信效率，提高通信吞吐量。同时，采用协作通信，通过选择最佳中继通信节点的方式，可以进一步提高无线通信的可靠性。.首先，由于无线通信中开放信道和多用户特性，在受到环境噪音影响的同时，传感器节点会受到由其他节点数据通信的影响，从而降低接收节点处的信干噪比（SINR），从而导致通信速率下降。通过串行干扰消除技术和干扰对齐等技术，将信号对齐到相同的空间方向上，逐一从对齐信号中解码出满足解码条件的各个信号，从而达到提高通信吞吐量的目标。.其次，由于无线传感器节点往往受限于自身体积与部署环境，携带能源有限，往往会因为能量耗尽而失效，从而导致局部传感器网络的信息丢失，损害传感器网络数据的有效性和完整性。通过无线能量传输技术，可以有效地进行非接触式能量补给。同时，在能量补给条件下，结合一系列干扰管理方案，建立合理地能量补给与干扰管理优化模型并求解，达到更好的提升通信能力的目标。.节点的移动性也普遍存在于无线传感器网络中，由于节点移动性带来的频带资源复用和分配也是无线传感器网络研究中的热点问题。通过引入中继节点进行协作通信，同时与干扰消除技术相结合，提高网络吞吐量。在中继转发和放大转发两种协作通信模式中进行选择，同时构建面向信道资源的优化问题并求解，达到最有资源分配，提升通信性能。.在实际应用中，通过与企业合作，针对井下非开挖设备地面和地下站之间的通信和控制问题，研发用于井下掘进和地面监控的分布式控制系统，用于采集、传输井下环境数据，并控制设备掘进，通过设计、模拟和现场调试，达到较好的通信、控制可靠性。