基于节点损伤的无线信息能量同传网络的研究

发布时间：2020-11-21 00:38

　　 无线传感网(Wireless Sensor Networks,WSNs)中能效问题一直是限制无线传感网发展的重要因素之一。传感器节点在处于恶劣环境或嵌入人体时,节点无法连接电网或更换电池,使得网络的寿命严重受到节点有限电池容量的制约。如何便捷的为节点供能,延长无线传感网络的寿命成为了需要立即解决的问题。目前,国内外学者对能量收集技术做了大量的研究,其中一种全新的解决方案,利用节点周围环境中的射频信号能量对节点进行充能得到了广泛的关注。由于无线传感网的传输信道、传输功率和传输距离的限制,使得能量收集技术在信息传输问题上面临着许多挑战。我们加入中继协作网络通信,帮助源节点以可靠的、高效的、稳定的协议将信号发送到目的接收端。无线传感器节点在实际环境中很容易遭受损伤,对硬件收发器造成的影响,降低网络的通信质量,目前此方向的研究较少,需要在考虑节点硬件部分受损的情况下获得精确的网络性能参数。因此,对具有节点损伤的无线信息能量同传网络研究具有深刻的意义。为了解决无线传感网实际应用中的能效问题,本文提出了基于节点损伤的无线传感网信息能量同传算法,为无线传感网中的能量收集技术研究奠定了基础。本文主要研究内容如下:一、针对无线传感网拓扑结构,考虑节点受损的物理现象对无线信息能量同传网络进行建模。分析协作通信方式,最后采用最佳中继选择方法,对源节点的射频信号进行信息的传输以及能量的收集。二、介绍两种中继协作通信模型,对比并分析了两种传输方式的优缺点,分别指出两种方式的适用情况,随后分析中继节点的两种信号转发方式的可行性,确保信息以最大化速率传输。通过介绍时间分配的能量收集中继协议和基于功率分配的能量收集中继协议,对信息能量同传进行了理论分析。在本文中,我们分别根据两种协议建立不同损伤程度下无线能量信息同传网络的传输模式,推导出网络通信的性能指标,即在高信噪比情况下降低网络中断概率与提高网络吞吐量。在推导过程中以此为优化目标对所提出的算法进行优化求解。三、在信息能量同传时采用时间分配传输协议与能量分配传输协议对网络的通信性能指标进行理论推导和算法研究。最后,我们通过MATLAB仿真,对理论模型进行分析验证。模拟分析节点损伤对工程实践具有重要意义,我们给出网络的最优参数以及协议选择,仿真证明我们的算法分析的有效性和可实现性,为以后的研究奠定了基础。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN929.5;TP212.9
【部分图文】：

第 2 章 WSN 及能量收集通信分析.1 无线传感网的概念及应用场景无线传感器网络是由大量部署在监测区域内具有感知、计算、存储和无线通信能力型节点组成的自组织分布式网络[47]。这些节点协作地采集被感知对象的相关信息，并短距离多跳的无线通信方式将采集的数据传输到基站做进一步的分析和处理，同时，也可以通过基站向节点发送控制消息，完成信息查询和网络管理维护等任务[48]。如图示，无线传感网作为具有广阔应用场景的新兴研究领域，在我们的日常生活中随处可在国家安全（应急服务、救灾与军事通信）、环境监测、工业生产、交通管理、航天等领域具有重要的应用价值，受到军事、工业和学术界的广泛关注。无线传感器网络与其它无线网络、固定的 Internet 网络等实现无缝融合，组成无处不在的物联网，以任何物体之间、人与物体之间的通信需求，从而提高整个世界的信息化和智能化水平线传感器网络是国家战略性新兴产业“物联网”、“泛在网”的关键核心技术之一[49

图 2.2 无线传感网2.2.2 无线传感器节点的硬件结构硬件结构如图 2.3 所示，传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块量供应模块四部分组成。数据采集模块：数据采集单元包括传感器和 A/D 转换设备目标信息的采集。传感器根据不同的目标特点采用不同的传感形态，如声呐、超声波外、温度、烟雾等。在该模块中，主要由传感探头和变送系统共同完成采集信息和转据的工作。处理控制模块负责检测相对应区域内信息的采集和数据转换，数据处理单般由单片机或微处理器、嵌入式操作系统、应用软件等组成，负责对采集到的目标信行处理。它将节点的位置信息、采集到的目标信息以及目标信息的空间时间变量综合然后将处理结果送到数据传输单元或存储在本地。这里将使用一些算法实现对目标别、跟踪、定位等。对于可以移动的节点，它还可以根据分析结果对运动机构如机器行控制，使之朝着靠近目标的方向前进。该模块主要用来负责控制设备、分配任务、和处理监测数据。无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息

图 2.3 节点硬件结构我们考虑这样一种情况，即发送器的目标是尽可能可靠地向信息接收器发送信息，同时满足能量接收器的能量收集限制。当传感器节点硬件受到损伤时，为了对硬件损伤进行建模，我们采用了一种具有特殊协方差结构的加性噪声模型，通过在传输信号时加入噪声来模拟损伤。并通过实验进行了验证，得到了分析参数的支持。我们的结果表明，当信道信噪比较高时，所提出的硬件损伤设计可以获得显著的增益。2.3 能量采集机制综述2.3.1 无线能量收集源如图 2.4 显示，无线收集技术指通过传感器的天线在接收发射的无线电波时，将接收到的射频能量转换成稳定的直流（direct current，DC）能量源，为传感器设备供电。通常，在物联网、无线传感器网络和射频识别标签的背景下，无线能源可分为两类：(1)专用电源：无线传感器节点配置专用射频电源，为设备提供可预测的能源供应。专
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 潘伟;;计算机无线传感网数据传输研究[J];信息与电脑(理论版);2019年01期

2 郑义;;移动无线传感网的关键技术研究[J];数字技术与应用;2016年11期

3 李欣;;基于ZigBee无线传感网系统设计与实现的研究[J];信息通信;2017年02期

4 王海涛;宋丽华;胡华;张国敏;;智能家居无线传感网的设计和分析[J];电信快报;2016年06期

5 管荣强;;无线传感网教学设计中翻转课堂的运用[J];数码世界;2018年07期

6 张建强;王帅;;无线传感网数据传输[J];环球市场信息导报;2016年41期

7 王亚芳;蔡畅;刘俊杰;;基于改进DV-Hop算法的无线传感网节点定位算法研究[J];科学家;2017年04期

8 李武;崔惠杰;黄有为;;无线传感网中数据融合算法研究[J];中国新通信;2014年07期

9 ;中欧合作研发成功无线传感网关[J];今日科技;2013年11期

10 陈钰;王捷;刘仲明;;无线传感网在智慧医疗护理中的应用[J];医疗卫生装备;2011年05期

相关博士学位论文 前10条

1 吴琼;有害气体检测的无线传感网空洞修补及数据传输技术研究[D];哈尔滨理工大学;2019年

2 马小平;轨道交通系统状态监测专用无线传感网资源优化配置方法研究[D];北京交通大学;2018年

3 徐高卫;超级计算机子系统的热管理与无线传感网3D-MCM的设计制造及热机械可靠性研究[D];中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）;2007年

4 类春阳;无线传感网MAC层关键技术研究[D];北京邮电大学;2016年

5 赵博;适用于无线传感网的射频收发机的关键技术[D];清华大学;2011年

6 周黎鸣;无线传感网中节点位置和数据的隐私保护研究[D];北京邮电大学;2015年

7 马奎;无线传感网移动接入与信息获取优化策略研究[D];中国科学技术大学;2008年

8 刘晨;无线传感网中设备无关的目标定位与定位数据可靠传输方法研究[D];西北大学;2016年

9 Muhammad Haneef（穆罕穆德·哈尼夫）;[D];北京邮电大学;2012年

10 应蓓华;用于无线传感网的低能耗数据压缩[D];清华大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘延林;基于节点损伤的无线信息能量同传网络的研究[D];吉林大学;2019年

2 韩琪;基于大数据的智慧农林园区信息平台的设计与实现[D];河北科技大学;2019年

3 王何浚;无线传感网MPPSK脉冲通信系统研究[D];东南大学;2016年

4 高翔宇;无线传感网定位技术在林区火险监测中的研究与应用[D];辽宁大学;2018年

5 季欢;无线传感网中基于移动sink节点数据收集的设计与实现[D];扬州大学;2018年

6 居春伟;无线传感网中基于粒子群算法的网络覆盖研究[D];扬州大学;2018年

7 秦家伟;基于无线传感网的智慧消防预警系统[D];南京邮电大学;2018年

8 钱媛媛;基于无线传感网的智慧消防技术与应用[D];南京邮电大学;2018年

9 尹娜;无线传感网中信任安全相关技术研究[D];南京邮电大学;2018年

10 孙坚;基于无线传感网的环境监测系统关键技术与应用研究[D];南京邮电大学;2018年

本文编号：2892255