無線傳感器網絡中能量中繼的研究和應用.pdf

1、在無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)的大規(guī)模使用中，傳感器節(jié)點自身攜帶能量有限是眾多制約因素中最為嚴重和致命的。在軍事檢測和環(huán)境應用等傳感器節(jié)點大量使用的場景，使用者很難也幾乎不可能對電池能量耗盡的傳感器節(jié)點進行大規(guī)模地逐一更換。利用能量獲取(Energy Harvesting，EH)技術可以使無線傳感器節(jié)點從周圍環(huán)境中獲得能量，從而能夠使傳感器節(jié)點可以持續(xù)工作，延長其使用壽命。能量獲取的來源主要包

2、括:光、振動或壓力、溫差、電磁波能量等。其中利用電磁波來傳輸和獲取能量是一種使節(jié)點可以無線獲取能量的新興方式，由于目前的傳感器節(jié)點可以做到平均工作功率維持在微瓦級，所以用這種新興電源為節(jié)點供能是可行的。
　　利用微波來傳輸和獲取能量涉及到無線能量傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術。無線電波是能量與信息的載體，因此，無線能量傳輸與無線信息傳輸(Wireless Information Transmis

3、sion, WIT)的原理是一致的。在本文中我們研究基于微波的遠場輻射方式來為無線傳感器節(jié)點提供能量。由于電磁波在傳輸過程中存在能量損耗大、傳輸效率低的問題，因此本文提出通過引入無線能量中繼(WirelessPower Relay，WPR)來試圖擴大無線能量的傳輸距離和提高傳輸效率，從而保證傳感器節(jié)點的能量供給，延長傳感器網絡的生命周期。所謂無線能量中繼就是用來延長無線能量傳輸距離的裝置，類似于無線信息傳輸中的微波中繼通信。
　　

4、為了研究本文所提出的無線傳感器網絡中的能量中繼問題，首先概述了無線能量中繼的系統(tǒng)模型和能量中繼的結構模型，類比無線通信系統(tǒng)中利用存儲轉發(fā)(Store and Forward，SF)方式來提高目的節(jié)點接收到的信號強度，本文提出了無線能量中繼使用SF方式提高對目的節(jié)點的能量供給。接著本文探討了無線能量中繼利用SF方式傳輸能量的具體應用，由于通過使用SF方式進行能量中繼來擴大傳輸距離存在著能量損耗，在這種方式下中繼節(jié)點很難（除非距離足夠近）一

5、直為目的節(jié)點提供能量，所以我們先將其應用到只有一個源節(jié)點和一個目的節(jié)點的分時工作傳感器網絡中進行研究并對其影響因素進行了仿真分析。通過仿真和理論分析得出當中繼節(jié)點獲取能量的時間和發(fā)射功率一定時，其相對位置距離目的節(jié)點越近（距離源節(jié)點越遠），目的節(jié)點接收到的瞬時功率越大，同時由于中繼節(jié)點獲取到的瞬時功率變小，所以其為目的節(jié)點的提供能量的時間越短。中繼節(jié)點的發(fā)射功率需要根據(jù)具體的位置，參照目的節(jié)點的工作功率和目的節(jié)點的工作時間進行相應的調整

6、，以使中繼的供能效果達到最優(yōu)。
　　最后本文把能量中繼應用到具有多個源節(jié)點和多個目的節(jié)點的分時工作無線傳感器網絡中，在特定的應用場景和條件下，提出一種適用于無線傳感器網絡的能量中繼協(xié)議，并分析了引進能量中繼前后對系統(tǒng)中傳感器節(jié)點能量供給率和節(jié)點存活率的影響。通過分析發(fā)現(xiàn)在傳感器網絡中使用能量中繼協(xié)議后確實能夠提高傳感器節(jié)點的能量供給率;當中繼節(jié)點為傳感器節(jié)點提供能量的時間變長時，由于中繼節(jié)點儲存的能量是有上限的，所以中繼節(jié)點的供能