通信受限下无线网络化系统建模与性能分析

From basic characteristics and application requirements of a wireless networked system, the modeling and performance analysis of the system under communication constraints are studied in the project. Firstly, in the modeling part, the wireless network system model under communication constraint is established, based on fundamental parameters (topological structure, transmission medium, bandwidth, communication protocol and etc.) and performance parameters (time delay, data packet drop-out and etc.). Secondly, in the performance analysis part, consensus problems of a wireless networked system are investigated under the influence of communication parameters constraints, such as sampling period, switching topology, channel capacity, noise, packet loss rate and time delay. Then, the optimal tracking performance of a wireless networked system is studied under communication constraint, and the relationship description between the communication parameters and the optimal tracking performance of wireless networked systems is obtained. Finally, the optimization design problem is researched by considering the topology characteristics of a wireless network and control constraints. On the one hand, the theoretical results will broaden the wireless communication system theory and the research range of the complex network theory. On the other hand, the corresponding theoretical research results will provide a powerful theoretical guidance for the analysis and design of wireless networked systems.

本项目将从无线网络化系统的基本特征和应用需求出发，研究通信受限下无线网络化系统的建模与性能分析问题。在建模部分，主要基于无线网络的基本参量（拓扑结构、传输介质、带宽、通信协议等）和性能参量（时延、数据丢包等）建立通信受限下无线网络化系统模型；在性能分析部分，主要研究基于采样周期、切换拓扑、信道容量、噪声、丢包率、时延等通信参量约束对无线网络化系统一致性的影响；研究如何在通信受限下分析无线网络化系统的最优跟踪性能，进一步定量的描述通信参量与无线网络化系统最优跟踪性能间的关系；最后，综合考虑无线网络拓扑结构特征和控制约束，研究无线网络化系统优化设计问题。这些理论结果，一方面将拓宽无线通信系统理论和复杂网络理论研究的涵盖面；另一方面，相应的理论研究成果将为无线网络化系统的分析和设计提供了有力的理论指导

由于无线网络应用的方便性、组网和维护的便利性、良好的拓展性和成本的低廉，使得无线网络的应用变得越来越广泛，但是无线网络化系统由于没有网线设备的束缚，使得无线网络的使用可以自由的移动，网络结构就变得十分的不确定。因此在网络拓扑结构、自治节点任意移动、信号大尺度衰减、信道接入机制信等方面存在很大的差别，使得基于有线共享网络的网络化系统得到的分析和设计方法不宜照搬到无线网络化系统中。因此必须通过采用新的理论和新的控制算法来提高无线网络化系统的性能。湖北师范大学课题组，在国家自然科学基金青年项目“通信受限下无线网络化系统建模与性能分析（编号：61602163）”的资助下，对此进行了深入研究，取得如下主要成果：.基于噪声、丢包率、时延、量化和带宽等通信参数建立了无线网络化系统模型，并且针对建立的模型采用频域分析方法得到了无线网络化系统稳定的条件；基于信道容量、噪声、丢包率、时延、编码解码、量化和带宽等通信受限下分别研究了无线网络化系统和无线网络时滞系统的最优跟踪性能问题，并且借助通信理论、频域分析方法和谱分解技术等得到了无线网络化系统最优跟踪性能与通信受限参数之间的内在联系。这些研究成果将为无线网络化系统的设计提供指导；基于扰动、切换拓扑、量化和噪声等通信受限下分别研究了一般无线网络化系统、异质无线网络化系统和具有李普希兹非线性网络化系统输出一致性问题，通过采用线性矩阵不等式方法、反馈控制理论和李雅普诺夫稳定性理论等得到无线网络化系统一致性的条件。.项目在实施过程中，项目组研究成员发表论文28篇，其中在SCI源刊上发表18篇，EI收7篇，申请专利14项，出版学术专著2部，获得湖北省科技进步三等奖1项，湖北省第十六届自然科学优秀学术成果二等奖1项，并在国内外会议上交流本项目研究成果8次，邀请国内外专家来校进行学术交流17次。培养硕士研究生3名，培养青年骨干教师4名。