能量中转节点在无线传感器网络中的研究与应用

发布时间：2019-04-28 12:27

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)在当今社会中的使用范围越来越广,但是各种各样的因素限制了无线传感器网络的发展与应用,其中最主要的限制因素便是传感器节点自身携带能量有限且很难补充。传感器节点只能由容量有限的电池来供能,并且长期处于无人值守的状态下工作,因此不可能通过更换电池的方式来补充能量。要想延长无线传感器网络的工作寿命,从周围环境中采集能量是一种行之有效的途径。目前主要采用温差、压力或震动、电磁波能量以及太阳能等方式来从环境中捕获能量。能量和信息都是通过无线电波来传输的,在本文中向传感器节点传输能量的方式是基站通过微波进行远场辐射。能量基站在中远距离传输的能量会衰减的很快,而基站本身从硬件配置、施工周期、位置选定以及构造成本等方面也决定了不可能在一个区域内重复建设基站,因此需要一种结构简单且可以放大电磁波功率的节点来解决传输过程中的能量损耗大导致传输距离有限的问题。本文为了解决这一问题,提出了引进能量中转节点(Power Transfer Node,PTN)的方法来尝试增加基站的能量传输距离和提高WSN节点接收到的能量。所谓的中转节点实质就是一个将能量基站发出来的电磁波在中转节点上进行能量补充来放大发射功率的装置,类似于一个无线通信中的功率放大器,从而提高传感器节点接收到的能量,来满足节点日常的工作需求,延长WSN的工作生命周期。为了研究WSN中的中转节点供能问题,首先描述了能量中转节点的基本结构单元和能量传输模型,类比无线通信系统中的利用功率放大器来增加发出的信号强度,本文提出了使用中转节点放大电磁波功率的方式来放大电磁波的发射功率,进而增加目的节点接收的能量。由于中转节点的位置不同,导致其接收到能量基站的瞬时功率不同,进而发射出去的功率也不同,且传输过程中的能量损耗也随着传输功率的变化而变化,因此先把中转节点应用到只有一个能量基站和一个工作节点的简单能量传输模型中,并对这一模型的相关问题进行了仿真研究。通过仿真和分析,得出了在能量基站和工作节点的位置恒定不变且能量基站的发射功率不变时,中转节点在中间距离时能量传输效率比最低。随着中转节点靠近能量基站或者靠近工作节点,能量传输效率比逐渐增加。这说明在工作节点距离能量基站较远而接收到的能量无法满足其正常工作时,应在距离能量基站较远处引入中转节点来提高工作节点的能量供应。为了研究中转节点的实际应用场景,本文在WSN中引入了能量基站和中转节点,提出了在无线传感器网络中的一种中转节点供能协议,针对节点的能量覆盖率和存活率进行了仿真分析。通过对比分析发现引入中转节点供能协议后的无线传感器网络的能量覆盖率和存活率得到了显著地提高,延长了节点工作的时间,有效的解决了 WSN能量不足的现状。
[Abstract]:Wireless Sensor Network (WSN) is widely used in today's society, but various factors limit the development and application of wireless sensor network. The sensor node can only be powered by a limited capacity battery and works in an unattended state for a long time, so it is not possible to supplement energy by replacing the battery. It is an effective way to collect energy from the surrounding environment in order to extend the service life of the wireless sensor network. At present, the energy is captured from the environment by means of temperature difference, pressure or vibration, electromagnetic wave energy and solar energy. Both energy and information are transmitted by radio waves in a manner in which the base station transmits energy to the sensor node in such a way that the base station radiates far-field radiation through the microwave. The energy of the energy base station in the mid-range transmission will decay very quickly, and the base station itself determines that it is not possible to repeat the construction of the base station in one area from the hardware configuration, the construction cycle, the location selection, and the construction cost, etc. There is therefore a need for a node that is simple in structure and which can amplify the power of the electromagnetic wave to solve the problem that the transmission distance is limited due to the large energy loss in the transmission process. In order to solve this problem, an energy transfer node (PTN) is introduced to try to increase the energy transmission distance of the base station and to increase the energy received by the WSN node. the so-called transfer node is essentially a means for amplifying the transmit power by means of an electromagnetic wave emitted by the energy base station on the transfer node, similar to the power amplifier in a wireless communication, to increase the energy received by the sensor node, And the working life cycle of the WSN is prolonged. In order to study the problem of energy supply in the transfer node in the WSN, the basic structural unit and the energy transmission model of the energy transfer node are described, and the power amplifier in the analog wireless communication system is used to increase the signal strength. In this paper, the transmission power of the electromagnetic wave is amplified by using the relay node to amplify the electromagnetic wave power, and then the energy received by the destination node is increased. because the position of the relay node is different, the instantaneous power of the energy base station is different, and the transmitted power is different, and the energy loss in the transmission process also changes with the change of the transmission power, Therefore, the transfer node is applied to a simple energy transmission model of only one energy base station and one working node, and the related problems of the model are simulated. Through simulation and analysis, the energy transmission efficiency ratio is the lowest when the position of the energy base station and the working node is constant and the transmission power of the energy base station is unchanged. As the transfer node is close to the energy base station or close to the working node, the energy transmission efficiency ratio is gradually increased. This indicates that when the working node is far from the energy base station and the received energy cannot meet its normal operation, the transfer node should be introduced at a far distance from the energy base station to improve the energy supply of the working node. In order to study the practical application scene of the transfer node, the energy base station and the relay node are introduced in the WSN, and a relay node energy supply protocol in the wireless sensor network is proposed, and the energy coverage and the survival rate of the node are simulated and analyzed. Through the comparison and analysis, the energy coverage and the survival rate of the wireless sensor network after introducing the relay node energy supply protocol are obviously improved, the working time of the nodes is prolonged, and the current situation of insufficient energy of the WSN is effectively solved.
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212.9;TN929.5

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本文编号：2467632