可充电传感网中充电调度策略的优化与范文研究

日期:2021-04-06 作者: 硕博论文网 编辑:vicky 点击次数:132
论文价格: 150元 论文编号: sb2021031709120134960 论文字数:33263 所属栏目:工程硕士
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis
本文在 Eclipse 的环境下利用 Java 编程构建了一个可充电传感网的仿真系统,仿真系统对所提出的算法构建了相应的网络模型,并对整个算法进行了仿真实验,测试所提出算法对所构建的可充电传感网中的节点失效率是否有所下降,网络的生命期是否得到延长。

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义
随着近几十年来科学技术的发展,由微机电系统,数字电子技术以及无线射频通信技术三项技术的整合,使得无线传感器网络技术得以实现[1]。无线传感器网络[2, 3](WSNs,WirelessSensor Networks)是由大规模的具有数据采集,数据处理,数据传输能力的微型传感器节点以自组织和多跳的方式构建而成的无线网络,通过网络中分布的各个节点之间协作地采集,处理和传输,将网络覆盖区域内的感知对象的监测信息报告给用户。无线传感器网络的传感器节点体积小,成本低,能耗少,因此可以大规模的部署。WSN 的应用范围很广泛,包括健康监测[4],军事领域,国家安全,环境监测[5],智能交通[6]等其他领域。例如在医疗健康领域,一个完整的医疗传感器网络使得医院的医生能够远程监测病人的各项生理参数,这种方案给病人提供了很大的方便,病人足不出户医生即可全天候地监测病人的身体健康情况。
然而在传统的无线传感器网络中,节点的电量通常由装配的一次性电池提供。由于电池本身电量有限,所以节点的生存期一般情况下受到自身所携带的电量限制[7]。节点的能量限制使得整个无线传感器网络的生命期[8]随之减小,网络维护人员的成本增加,例如节点的部署环境复杂多变,维护人员不可能到达任意节点进行电池的更换。节点能量的限制直接制约了 WSN 的生命期,在相当大的程度上影响了无线传感器网络技术的发展。研究人员为了解决这一问题,将研究目光投向了减少传感器节点的能量消耗和寻求节点的能量获取途径:通过生产出能够从周围环境中获取能量补充的传感器节点(包括太阳能[9],风能[10],潮汐能等)来延长节点的存活期;通过节能的路由协议算法[11],MAC 层协议算法[12, 13]以及跨层协议[14, 15]等以节能为目的的优化算法的设计来降低节点的能量消耗以此延长 WSN 的生命期。但以上方案只能延缓节点的失效时间:目前从周围环境中获取能量的方案尚未成熟,且环境的影响使得方案不稳定且难控制,可能会存在复杂场景下无可用能源情况;各种协议优化算法的研究设计只能够延长 WSN 的生存期,并不能及时补充节点的损失能量,最终网络还是难以避免的因所有节点失效而终止工作。
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1.2 论文综述及主要工作
本文主要对无线可充电传感器网络的移动调度问题进行了研究,论文的主要工作如下:
(1)研究了无线可充电传感器网络的相关技术,并基于对无线可充电传感器网络中的网络结构的理解构造了本文所设计的传感网的网络模型。
(2)对无线可充电传感器网络的无线充电领域进行了详细的研究,包括能量传输方案,无线充电模型,移动充电策略以及该领域的研究现状。将其作为本文的主要研究点,无线可充电传感网中移动充电调度策略的理论基础和算法的主要思想。
(3)本文首先提出了一种可充电传感网的移动充电调度方法。考虑了移动充电器回到基站充电的这段时间内,将有许多待充电节点得不到能量补充的情况。提出了一种新的移动充电调度算法(CPEBS,Charging Period EnergyBackup Supplement),引入了一个后备移动充电器,给移动充电器充电期产生的待充电节点补充能量,有效减少了失效节点的数量,传感器网络生命期也得到了延长。需要说明的是本文中所提到的移动充电调度算法是利用所设计的移动充电调度策略来对无线可充电传感网中的移动充电器的充电任务进行规划,确保网络的高效运行。
(4)其次在相对大型的传感器网络中,我们使用移动充电器为多节点补充电量的方案,提出了一种 WRSN 中基于多节点充电的移动充电调度算法。考虑了节点间的移动距离,充电器的充电邻域,合理地选择下一跳移动充电器停留节点,实现最大化充电效用以及最小化节点失效数目。
(5)在 Eclipse 仿真平台下进行了实验和仿真,对实验的结果进行了分析与研究,通过实验对比了本文的两种算法与现有典型充电调度策略的性能,验证了本文算法在最大化网络充电效用以及最小化节点失效率两方面的优越性。

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第二章 无线可充电传感网络及充电调度综述

2.1 无线可充电传感器网络概述
2.1.1 无线可充电传感器网络体系结构
无线可充电传感器网络的构建目标是在无线能量传输技术的基础上实现监测区域内相关信息的采集,处理和分析。WRSN 采用无线能量传输技术给网络中的传感器节点进行能量补充,这些传感器节点装配了能量收集器,能够将外部充电器的能量收集起来并存储到电池中。充电器常采用的方案是以电磁辐射的方式给可充电传感器节点的电池或者电容器补充电量。典型的 WRSN 如图 2.1 所示。

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2.2无线可充电传感器网络无线充电概述
2.2.1 无线可充电传感器网络的能量传输方案
根据能量传输的原理分类,可以将无线能量传输技术分成以下三种类别[29, 30]:
(1)电感耦合方式。电感耦合技术是目前应用较为成熟的,能量转化效率能够高达 99%的无线能量传输方式。这种方式由能量发射部分和能量接收部分组成。能量发射装置通过电感耦合方式向能量接收装置发送电磁电量,电感耦合方式的能量发射部分通常使用感应线圈建立一个时刻变化着的电磁场,同时能量接收装置的副线圈部分接收时变的电磁场并将该感应电动势转化为电流为相应的设备补充能量。电感耦合方式的能量传输装置使用的是谐振电感耦合,通过增大能量发射装置以及能量接收装置的线圈尺寸,提高电磁场的频率以及减少天线的厚度都能够使能量传输的损耗降低。电感耦合方式因其安全可靠易操作逐渐成为一项无线能量传输方面较为重要的技术被商业化使用,例如医院的一些医疗设备,可充电的电动牙刷以及支持无线充电的智能手机和蓝牙耳机等设备都是通过电感耦合方式原理进行电量补充的。然而电感耦合技术也存在自身的缺点,在保证能量传输效率的情况下,会造成能量发射和接收装置之间的距离要尽可能的短,一旦之间的距离被拉大,能量传输效率就会明显的降低。
(2)电波电磁辐射方式[31]。电磁辐射方式中能量发射装置的交变电磁场产生的电磁波向能量接收装置发射出去(即电磁辐射),能量接收装置接收到发射装置的电磁辐射后将其转化为频率超高的电压脉冲,最后经过倍压整流电路将高频电压脉冲放大整流,电磁辐射也最终被转化为电能供相应的装备补充能量。这是一种定向,远距离的无线能量传输方案,同时由于电磁波的发射方向有所不同,电波电磁辐射又可以分成单向电磁辐射和全向电磁辐射两种。单向电磁辐射使用激光束和微波,在发射方和接收方之间几乎无障碍情况下,长距离的能量传输仍然具有很高的效率。全向电磁辐射的能量发射装置将一定频段的电磁波进行较大范围的广播,能量接收装置可以通过调整对应的接收频段来获取发射过来的电磁波能量。现实生活中太阳光辐射,地球磁场,移动通信基站等等都会发射电磁辐射,较低的电磁辐射对人体无害。目前实际应用场景较为成熟的有射频识别技术,射频识别阅读器与标签之间通过电磁辐射的方式进行能量补充与数据通信。
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第三章 一种可充电传感网的移动充电调度方法 CPEBS .........................16
3.1 引言 ........................ 16
3.2 系统模型 ............................ 17
第四章 一种 WRSN 中基于多节点充电的移动充电调度算法........................35
4.1 引言 ............................ 35
4.2 系统模型 ........................ 35
第五章 总结与展望.......................................50
5.1 总结 .................................. 50
5.2 展望 ............................... 51

第四章 一种 WRSN 中基于多节点充电的移动充电调度算法

4.1 引言
上一章中,本文使用单个移动充电器对整个可充电传感器网中的传感器节点补充能量,以此维持可充电传感网的正常运行,同时通过在移动充电器的充电期引入一个后备移动充电器来延长可充电传感器网的生命期。但是由于这种方案是针对节点密度低或节点分布分散的传感器网络,在节点数目较小的小型传感器网络中,这种方案是可行的;然而在具有高节点密度或群集节点分布的传感器网络中,若是采用单个移动充电器对单个传感器节点补充电量的方案,则会造成许多传感器节点因移动充电器的充电效率较低的原因而能量耗尽,在一次充电任务中通过移动充电器为所有传感器一个个的充电也是不现实的。
本章通过使用单个移动充电器同时为多个传感器节点充电,设计了一种可充电传感网中基于多节点充电的移动充电调度策略,该方案需要移动充电器访问每个可充电节点的充电邻域,而不是特定位置,即移动充电器为充电邻域内的可充电传感器节点补充能量,因而整个移动充电调度策略被转化为充电顶点覆盖问题。所提出的算法综合考虑了节点间距离以及充电邻域的限制,通过在移动充电器充电邻域内选择最佳充电停留节点,规划出一条完整的移动充电器的充电调度路径,目标是最小化传感器节点损失数目以及最大化网络的累计充电效用增益。
本章节的充电路径规划不同于第三章,具体体现在选择下一跳充电停留点的策略上,同时用于充电规划问题网络模型,充电模型也有所不同。
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第五章 总结与展望

5.1 总结
本文对可充电传感网的移动充电调度方案进行了研究。利用移动充电器为可充电传感器节点充电,基于单个移动充电器的点触式充电模型和常数圆盘充电模型分别提出了一种可充电传感网的移动充电调度方法 CPEBS 和一种在高节点密度的 WRSN 中基于多节点充电的移动充电调度策略。针对这两种充电调度算法,本文在 Eclipse 的环境下利用 Java 编程构建了一个可充电传感网的仿真系统,仿真系统对所提出的算法构建了相应的网络模型,并对整个算法进行了仿真实验,测试所提出算法对所构建的可充电传感网中的节点失效率是否有所下降,网络的生命期是否得到延长。全文的工作总结如下:
(1)主要介绍了论文的研究背景及意义,包含无线传感器网络和无线可充电传感器网络的背景介绍,还有论文综述及主要工作以及论文的结构安排。(2)主要介绍了无线可充电传感网的体系结构,网络特点,应用领域和其研究现状与挑战;以及介绍了无线可充电传感网络无线充电方面相关的
能量传输方案和无线充电模型以及移动充电策略;最后介绍了可充电传感网移动充电调度研究现状。
(3)在可充电传感网中,提出了一种使用单个移动充电器并在其充电期间引入了一个后备移动充电器给网络中节点补充能量的移动充电调度方案 CPEBS。首先为网络构建系统模型,包括系统的网络模型和无线充电器模型,然后对充电效用和后备移动充电器以及充电器的能量约束进行了定义,并提出了节点失效率的概念,接着根据所构建的模型,为移动充电器充电路径的构建设计了移动充电调度算法,并对算法进行了仿真实验验证。
(4)在相对大型的可充电传感网中,提出了一种基于多节点充电的移动充电调度算法,同样是使用单个移动充电器,不同的是移动充电能够为其充电邻域内的所有节点补充能量。结合所定义的充电效用公式计算出移动充电器充电邻域内的最佳充电停留点,从而形成整个移动充电器的充电路径,且实现最小化传感器节点损失数目以及最大化网络的累计充电效用增益。
参考文献(略)

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