可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源管理與優(yōu)化研究.pdf

1、隨著傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為多學(xué)科交叉的熱點(diǎn)前沿研究領(lǐng)域之一，也是當(dāng)前國際上最受關(guān)注的高科技技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以低成本、低功耗、分布式計(jì)算、自組織等特點(diǎn)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如工業(yè)過程、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護(hù)理、物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等，具有廣闊的應(yīng)用前景和很高的商業(yè)價(jià)值，因此受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。
　　然而，受電池技術(shù)發(fā)展的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的電源能量極其有限，限制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的推

2、廣應(yīng)用。為了解決傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限問題，將能量收集技術(shù)作為傳感器節(jié)點(diǎn)的能量補(bǔ)充手段的可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，為傳感器節(jié)點(diǎn)的長期有效運(yùn)行提供了可能。能量收集技術(shù)為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能源供給問題提供有效途徑的同時(shí)，也為可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究帶來了新的挑戰(zhàn):由于所獲取的能量是不穩(wěn)定且不可控的，如何有效地管理和利用所獲取的能量，使得網(wǎng)絡(luò)的性能得到優(yōu)化是可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中急需解決的首要問題。本文結(jié)合國內(nèi)外最新的研究成果，考慮了各種場景下可充電

3、傳感器網(wǎng)絡(luò)中的資源管理與優(yōu)化問題，并針對不同的場景提出了相應(yīng)的資源管理及其優(yōu)化算法。本文的主要工作和貢獻(xiàn)可概括為以下幾個(gè)方面:
　　1.介紹了可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景、相關(guān)概念、優(yōu)勢、應(yīng)用領(lǐng)域、所面臨的挑戰(zhàn)及其國內(nèi)外在資源管理與優(yōu)化方面的研究現(xiàn)狀。
　　2.研究了可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中電池容量受限情況下的資源管理與優(yōu)化問題。針對能量獲取的不穩(wěn)定性以及節(jié)點(diǎn)電池的存儲能量有限等特性，提出了一種自適應(yīng)能量分配方案，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠

4、以一種高效的方式來管理其能量消耗，并設(shè)計(jì)了一種分布式采樣速率控制算法使得每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都能獲得最佳的采樣速率。此外，還設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的能量分配方案用于降低所獲取能量估計(jì)誤差對系統(tǒng)性能的影響。最后，通過大量的仿真驗(yàn)證了算法的有效性。
　　3.研究了可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中時(shí)空耦合下的資源管理與優(yōu)化問題?？沙潆妭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的能量獲取和能量消耗在時(shí)域上具有耦合性，且傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗因數(shù)據(jù)傳輸在空間上也具有耦合性。為了獲得最佳網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集，本文

5、通過分析能量獲取與能量消耗之間的時(shí)空關(guān)聯(lián)性以及能量消耗與數(shù)據(jù)傳輸之間的關(guān)系，利用對偶分解理論設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合能量管理和采樣速率控制的分布式算法，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效用最大化。通過與已有算法的仿真結(jié)果比較，驗(yàn)證了所提出算法的優(yōu)越性。
　　4.研究了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎驴沙潆妭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的能量管理與數(shù)據(jù)收集問題。由于能量獲取過程的不穩(wěn)定性和傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整功率所引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性，使得可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集變得更加復(fù)雜。針對該問題，本文首先設(shè)計(jì)

6、了一種均衡的能量分配方案來管理傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，然后提出了一種分布式的聯(lián)合采樣速率控制、功率控制和路由控制的算法來優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能。并從理論上證明算法的收斂性和最優(yōu)性。此外，本文還設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)能量管理策略和拓?fù)涔芾聿呗詠肀M量減少能量調(diào)整次數(shù)和計(jì)算復(fù)雜度。仿真結(jié)果表明提出的算法能夠有效地利用所獲取能量來最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。
　　5.研究了移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)下可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集問題。本文通過將移動(dòng)匯集節(jié)點(diǎn)引入到可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中來