近年来无线通信系统得到了极大的发展和应用,然而,无线网络设备有限的电池能量制约了网络性能的进一步优化和应用范围的扩展,对这些设备进行电池更换往往代价昂贵甚至在某些场景下并不可行。无线能量传输技术的出现和发展为解决无线通信网络能量问题提供了一条很好的思路。使用无线能量传输技术的无线通信网络被称为无线供电通信网络(WPCN,Wireless Powered Communication Network),其中,无线可充电传感器网络(WRSN,Wireless Recharging Sensor Network)是WPCN中重要的组成部分。WRSN使用无线能量传输技术,网络中设置一定数量的携带有大量能量且可移动的无线充电设备,该无线充电设备可以移动到能量匮乏的传感器节点附近对节点进行无线充电,这能够缓解WSN由于节点电池能量不足而造成的窘境。然而,对于不同的WRSN,网络规模不同,能量消耗等因素也不相同,选择对哪些节点进行充电,使用怎样的充电路径,如何去调度,都需要详细规划。若要使WRSN完成让网络长久运行的工作使命,对其进行合理的充电规划研究与设计是很重要的一环。在进行充电规划之前,首先应对WRSN的可行性进行分析。本文在分析典型WRSN网络结构的基础上,对WRSN进行数学建模,研究在何种约束条件下,网络才能长久运行而不死亡;根据节点的数据量、位置和运行时间等因素对能耗的影响建立约束方程组,根据该约束方程组,对于不同目标函数可以得出不同的网络规划方案;在分析约束方程组的基础上,对其进行简化处理,得到了周期型WRSN满足约束条件所对应的充电周期时长要求。在满足WRSN可行性的约束条件下,本文根据网络中节点能量补充的方式将网络分为周期型WRSN和按需型WRSN。周期型WRSN主要指网络节点能量相对均衡,突发数据流很少的传感器网络;而按需型WRSN则对应着网络节点能量不均衡,数据速率差别较大的传感器网络。在满足周期型WRSN充电周期时长的约束条件下,针对周期型WRSN,使用单个无线充电设备,将充电规划问题分解为网络建立、确定通信方式、选择充电节点与充电路径以及明确工作状态等几部分。将周期型WRSN的充电规划问题转换成TSP问题,并设计了一种基于模拟退火算法的SABPE算法进行求解;然后对于不同规模的网络进行了仿真,验证了该充电规划的可行性。除此之外,本文又针对按需型WRSN,同样将充电规划问题分解为网络建立、确定通信方式、选择充电节点与充电路径以及明确工作状态等几部分。鉴于按需型WRSN网络节点能量极不均衡的特性,在设计方案时首先使用分簇通信的方法来均衡能耗,设计了一种改进的MIKmeans算法,然后根据无线充电设备的最大工作周期与节点最小剩余工作时长的关系,选择待充电节点,再使用SABPE算法来确定最短充电路径,并求得每次充电所对应的工作时刻,最后,通过算法仿真,将设计的充电策略与几种典型充电策略进行对比,得到了较好的能量均衡性和较高的充电能量效用。
