WPCN中移动HAP路由设计及供能与信息传输调度

发布时间：2020-04-01 15:40

【摘要】：近年来,随着无线能量传输技术的发展,WPCN(Wireless Powered Communication Network,无线供电通信网络)成为国内外的研究热点~([1])。相对于传统能量受限的无线传感器网络而言,WPCN可以消除网络节点频繁充电或更换电池的需求,从而可以提供更高的网络吞吐量、更长的网络寿命以及更低的网络操作成本。然而,目前WPCN还存在着以下问题:(1)由于网络中能量传输(Wireless Engergy Transfer,WET)和信息传输(Wireless Information Transmission,WIT)均对距离信息敏感,因此会在不同位置的网络节点之间引起“双远近距离效应”和性能不公平现象,所以需要对充电设备的充电策略和移动线路进行设计;(2)WPCN中HAP(Hybrid Access Point,混合接入点)常在同一频段内以时分复用方式(Time Division Multiplexing,WMT)对网络节点设备(Wireless Device,WD)进行WET和WIT。如何安排WET和WIT时槽对WPCN性能有重要影响,因此需要对二者进行联合调度和统筹优化,以降低干扰并提高网络的吞吐量和利用效率。针对以上问题,目前已有学者在固定HAP情景下进行了大量研究。而本文则主要研究在HAP可以移动的情况下,如何克服网络性能不公平现象以及如何调度和优化WET和WIT以提高网络的吞吐率。本文的主要工作如下:(1)HAP可以根据各个网络节点的剩余能量状态,按照一定路线移动至各目标端依次对其充电。在此场景下,本文综合考虑各个网络节点的能量消耗率波动情况以及地理分布信息,提出了基于密度的嵌套TSP(Travelling Salesman Problem,旅行商问题)路径优化算法,给出了在满足各个节点能量约束条件下HAP移动的最优路径。经仿真验证,本文所提出的算法相对于现有的路径优化算法,其网络总充电延迟最少降低了约10%。(2)在HAP沿着优化移动路线进行能量传输的前提下,提出了一种新颖的基于固定时槽的免竞争集中式调度方法——FSCF方法(Fixed Slot based Competition Free),来优化HAP与各网络节点之间的WET和WIT。经仿真验证,FSCF方法相对于现有的分布式调度方法,其网络吞吐率最高能提升约20%。与固定式HAP相比,移动HAP能够根据网络节点的能量状态和传输数据需求来灵活操作,从而能更好地满足网络需要。文中设计优化的HAP移动路线,并对能量传输和信息传输进行联合优化,对WPCN网络性能的提升有着重要意义。
【图文】：

有害干扰,信息解码,时分双工,浙江工业大学

浙江工业大学硕士学位论文。同样 HAP 也需要能量发射和信息接收这两组天线系统。 3-2 所展示的是一个基于 TDD（Time Division Duplex，时分双工）的 WP一个 WPCN 单元中，HAP 负责向一组 WDs 发送无线能量并接收 WIT。WET 和同的频带中，可以实现更高的频谱效率以及降低成本。因此 HAP 和 WDs 采构实现 WET 和 WIT 模式之间的切换，以避免 WET 对信息解码的有害干扰[40]

路线,任务图,能量消耗率

下一步是根据嵌套的方式来将 m 个簇构建成嵌套的 TSP 路线组。简单说来，就是依次挑选能量消耗率最大的 i 个簇 i = 1,2,…,m 分别构建 m 条 TSP 路线，命名为( 1, 2, 3)。以上构建的多条路线采取嵌套的规则构建，即这些 TSP 路径的长度满足关系公式（3-3）： 1≤ 2≤. . . ≤ (3-3)在构造完嵌套的 TSP 路线组之后，移动 HAP 只要在每个充电轮次中，，选择这些嵌套路线中的一条来完成对部分能量水平低的 WDs 的充电任务。因此，下一个需要解决的问题是 HAP 如何按需选择充电路线。图 3-3 所展示的是一个完成聚类分簇的传感器网络。图中的方块，三角和圆的节点集分别代表三个不同能量消耗率的簇，其中圆形节点的能量消耗率分别为三角的2倍、方块的 4 倍。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM724;TN929.5

【参考文献】