可充电无线传感器网络能耗模型及充电策略研究

无线传感器网络兴起和发展成为数字信息世界和物理真实世界的纽带,为信号与信息处理方向的研究带来了新的机遇,同时,无线传感器网络的研究也面临着前所未有的挑战。无线传感器网络能量相关问题始终是该领域研究的热点问题。无线传感器节点能源受限一直是阻碍无线传感器网络长期工作的瓶颈。已有学者在无线传感器网络的数据路由、MAC协议、能量控制、跨层优化及外部能量获取领域进行研究。近年来,新兴的无线能量传输技术为无线传感器节点能量补给带来了曙光。对无线传感器节点进行远距离无线能量补给,可有效地解决无线传感器节点能源受限的问题,然而国内外对引入无线能量传输设备后的无线传感器网络的研究才刚起步。本文利用最优化方法,通过深入分析引入无线能量补给设备的无线传感器网络模型,提出一系列优化问题并求解,得到不同网络结构下的无线能量补给设备和无线传感网络的工作策略。本文的研究成果如下：(1)提出单基站可充电无线传感器网络静态拓扑下的动态模型。该动态模型反映无线传感器节点和无线能量补给设备在不同时刻需要满足的约束条件。无线能量补给设备通过遍历网络内所有传感器节点进行能量补给,使其不会因为放电过度而失效。为尽可能减少无线能量补给设备的工作时间而更长地驻留在维护站,提出了动态网络模型下的优化问题,并通过推导和证明将其转化为具有等优性的线性规划问题。求解该优化问题后,得到无线能量补给设备的最佳遍历路径、充电时长和无线传感器网络的动态数据路由策略。(2)提出单基站可充电无线传感器网络动态拓扑下的动态模型。在该模型中,无线能量补给设备在遍历无线传感器网络中不同节点时,也担任数据收集任务,从节点处接收数据。而被充电的节点作为簇头节点从簇内其他节点处接收信息,并直接传输给无线能量补给设备。由于无线能量补给设备需要遍历网络中所有传感器节点,那么担任簇头的传感器节点和簇的划分不是固定不变的。与静态拓扑模式下的模型不同,需要研究不同时刻不同传感器节点需要满足的约束条件,并提出相应的优化问题。通过求解该优化问题,得到单基站可充电无线传感器网络动态拓扑模式下节点动态分簇策略、网络数据路由策略及无线能量补给设备的工作策略。(3)提出多基站可充电无线传感器网络动态模型。在较为广阔的区域内布设多个基站,可有效地减少无线传感器网络中数据传输的距离和跳数,从而降低无线传感器节点的能耗。通过分析之前两个研究成果,提出无线传感器节点活跃度的概念,建立多基站可充电无线传感器网络动态模型并提出相应优化问题。通过求解该优化问题,得到在最大化网络中传感器节点活跃度目标下的数据路由、通信功率控制及无线能量补给设备动态且周期的工作策略。