无线可充电传感器网络射频能量源路径规划与数据收集

发布时间：2020-08-20 13:46

【摘要】：在传统的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)中,能耗是必须面临的一个重要问题,为此,无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSN)孕育而生。在这种网络中,射频(Radio Frequency,RF)能量源以电磁辐射的方式将电能发送到传感器网络,节点通过天线捕获射频能量。相比于采用固定的射频能量源,采用移动射频能量发射机周期性地给节点充电有利于减少成本且更加灵活方便。此外,移动的数据收集技术也备受关注,因此如何将二者结合起来是一个值得研究的问题。本文的主要工作如下:在移动射频能量源(小车)的研究中,如何规划小车的移动轨迹以及如何分配充电和数据收集时间以达到较大吞吐率是一个值得关注的问题。针对此问题,本文提出了一种基于簇的路径规划和时间分配策略。先将传感器网络所有节点分为若干个簇,并将簇点作为小车停留的驻点。采用旅行商问题的近似解来规划小车的行车顺序和路径并通过节点数量和平均剩余能量分配每个簇的时间。通过单纯形解法解决充电和数据收集时间分配问题以达到较大的总吞吐率或共同吞吐率。此外,在误差范围内提出了相应的启发式算法。除了小车停在驻点通信的模型,小车移动过程中通信如何进行时间分配也是一个值得研究的问题。相比于静止的模型,移动过程中每个节点与小车的通信距离时时刻刻在发生变化。为此,本文通过离散化模型,将吞吐率最大化的充电和数据收集时间分配问题转换为一个0-1规划问题,然后求出这个问题的上下界,并通过分支定界法求得了问题的最优解。接着讨论了网络吞吐率与小车运动速度的关系,证明网络吞吐率与小车的运动速度无关。最后,将上述问题小车的运动轨迹从直线扩展到圆并提出了相应的策略。实验结果证明,本文提出的策略相比于传统策略具有更高的吞吐率,但是,本文的策略未考虑充电与数据收集之间转换时的时间和能量花销。
【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】：TP212.9;TN929.5;TP274.2
【图文】：

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浙江工业大学硕士学位论文以1W或3W功率发射的工作在915MHz的发送机就是一个专用射频能量源的典8]。然而，部署专用的射频源会提高网络的成本。而且，考虑辐射可能带来的健射频源的发射功率一般都会受到限制。由于这个限制，许多专用的射频源可能需，以满足用户需求。作为专用的射频能量收集过程的射频源是完全可控的，它更具有服务质量约束的应用。而且，专用射频源可以是移动的，它可以定期移动和量转移到传感器节点。ultan 等人对射频能量捕获方式及其优化做了阐述[39]。一般将捕获环境中射频能量为三个部分：用合适的天线捕获射频信号；采用合适的整流电路进行整流；直接到的能量或将其储存在电池或电容里。这三个过程也分别对应能量捕获的三个图 1-1 所示。

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图 3-1 系统模型图 3-1 所示x y的矩形区域，内有一个静态服务（图中笑脸）和若干个传感器节点（图中小圆圈）。数据，小车负责从服务站出发到达某个地点以射频能收集其感应到的数据，然后前往下一个地点重复上服务站换电池的时间相比其给节点充电以及收集数，且认为小车的电池容量足够大，能够完成每个周期车停靠的地点，我们将所有节点根据 k-中心点轮换（图中黑色小圆圈）作为小车的停靠地点。假设传感半径为 z '，小车给节点充电时能够辐射的范围（图中要初步确定簇的总数目，用半径为的圆以相切的方

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覆盖所有节点的情况作为最后结果；否则每次将增加 1 重复 k盖所有节点。终分簇结果后，对于所有簇，我们采用旅行商问题（TSP）的近似序和路径以减小不必要的时间消耗[25]。对于每一个簇，我们根据簇节点的平均剩余能量分配小车在该簇的停留时间：1 2 mlQ Q Q Qv 1 21 2mmN NNQ Q Q 一个周期的总时间，簇jC 分配到的时间为jQ ， /j j jN n e表示簇j （其值为簇内节点平均剩余能量占电池容量的比例）的比值，l 表v 表示小车的运动速度。

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