能量有效的无线可充电传感器网络中充电节点调度优化研究
发布时间：2021-10-21 07:34
无线可充电传感器网络（WRSN）利用无线能量传输技术,通过移动充电节点（MCV）对传感器节点充电来延长WRSN的网络生存期。目前集中在MCV的部署和轨迹规划的研究工作较多,且已经取得很好的进展,但是仍存在充电效率低、MCV能耗高、联合优化目标少等问题,其中如何设计多目标（例如MCV的能耗、节点覆盖、充电效率）的联合优化问题,是延长WRSN的网络生存期的关键。本文将常规WSN的LEACH协议引入WRSN,旨在传统LEACH协议中增加充电阶段,为研究MCV动态部署优化问题提供框架基础。进一步基于无线充电模型、通信消耗模型和移动消耗模型演化出WRSN网络中MCV动态部署的多目标优化模型（MCVDOS MaOP）。模型包括四个优化目标:（1）同时增加MCV充电范围内的传感器节点数量;（2）减少MCV的移动能耗;（3）剩余能量最小的传感器节点优先被充电;（4）使MCV更接近其覆盖范围内的所有传感器节点。之后进一步证明了MCVDOS MaOP是一个NP难问题。针对MCVDOS模型分别构建了单目标线性加权优化问题和多目标优化问题,并提出相应的改进算法进行求解:MCVDOS MaOP场景中的单目标优化...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无线传感器网络示意图
第2章系统模型中优化问题的构建11第2章系统模型中优化问题的构建本章介绍了相关的系统模型，如LEACH通信协议、WRSN网络模型、无线充电模型、MCV移动消耗模型和传感器节点的能量消耗模型和多目标优化模型。另外，对WRSN中的MCV动态部署优化问题进行数学建模，构建了多目标优化问题MCVDOS，总结了网络运行时所需要的满足的约束条件。其中，MCVDOS包括四个优化目标，并证明该多目标优化问题的复杂度是NP难问题。2.1系统模型2.1.1LEACH协议WSN的通信协议包括两种：平面路由协议和分层路由协议，其中平面路由协议有Flooding、SPIN、SAR和定向扩散等，此协议在通信时需维持路由表而造成大量占据存储空间，故在大规模场景中的效率低于分层路由协议[34]，故在本文中将研究重点放在分层路由算法上。其中，LEACH协议是比较成熟且具有代表性的分层路由算法，可有效的降低WRSN的电量损耗，延长网络生存期。LEACH协议是一种用于WSN中数据传输的低功耗自适应集群路由协议[35]，它主要目的是最大程度地减少传感器节点的能耗。在LEACH中，将节点组织成群集并通过节点收集的数据，然后将节点收集到的数据传输给群簇头节点（CH）进行信息融合，然后，CH将融合的数据发送到基站BS。在LEACH算法的每轮中，都使用随机算法来确定每个集群中的节点是否将成为CH。如图2.1所示，LEACH协议由许多“轮”组成，每个“轮”包括建簇阶段和数据收集阶段。图2.1LEACH协议的示意图第一阶段：建簇阶段。在LEACH每个轮开始时，每个传感器节点都会生成
第2章系统模型中优化问题的构建13图2.2带有MCV的WRSN的示意图2.1.3无线充电模型采用无线识别和传感平台（WISP）-reader的充电模型，发射器会向接收器提供连续的射频能量[35]，该模型只需要考虑充电环境和射频能量发射器与接收器之间的距离，也可以应用于一个射频能量发射器对多个接收器的场景，其中，发射器和接收器之间的充电效率表示为[26]：2()4()srpGGLd=+……………………………(2.2)其中，d是MCV与传感器节点之间的距离，GS是发送器的天线增益，Gr是接收器天线增益，l是波长[35]，LP是极化损耗，h是整流器效率，b是调整Friis’自由空间方程中短距离传输的天线功率参数。在公式2.2中所示，除d以外的所有参数均为常量，是由应用场景决定的。因此，为了便于描述将所有常量规为同一个常量，公式2.2可以简化为：2(d)=+…………………………………(2.3)其中，代表由其他常数参数（公式2.2.中的GS，Gr，LP，l和h）组成的综合因子常量，传感器节点Si的接收功率Pi为[35]：01NinnPP==………………………………(2.4)其中,P0是MCV的发射功率，ui是Sj和Ci之间的充电效率。由公式2.4和
本文编号：3448532
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
无线传感器网络示意图
第2章系统模型中优化问题的构建11第2章系统模型中优化问题的构建本章介绍了相关的系统模型，如LEACH通信协议、WRSN网络模型、无线充电模型、MCV移动消耗模型和传感器节点的能量消耗模型和多目标优化模型。另外，对WRSN中的MCV动态部署优化问题进行数学建模，构建了多目标优化问题MCVDOS，总结了网络运行时所需要的满足的约束条件。其中，MCVDOS包括四个优化目标，并证明该多目标优化问题的复杂度是NP难问题。2.1系统模型2.1.1LEACH协议WSN的通信协议包括两种：平面路由协议和分层路由协议，其中平面路由协议有Flooding、SPIN、SAR和定向扩散等，此协议在通信时需维持路由表而造成大量占据存储空间，故在大规模场景中的效率低于分层路由协议[34]，故在本文中将研究重点放在分层路由算法上。其中，LEACH协议是比较成熟且具有代表性的分层路由算法，可有效的降低WRSN的电量损耗，延长网络生存期。LEACH协议是一种用于WSN中数据传输的低功耗自适应集群路由协议[35]，它主要目的是最大程度地减少传感器节点的能耗。在LEACH中，将节点组织成群集并通过节点收集的数据，然后将节点收集到的数据传输给群簇头节点（CH）进行信息融合，然后，CH将融合的数据发送到基站BS。在LEACH算法的每轮中，都使用随机算法来确定每个集群中的节点是否将成为CH。如图2.1所示，LEACH协议由许多“轮”组成，每个“轮”包括建簇阶段和数据收集阶段。图2.1LEACH协议的示意图第一阶段：建簇阶段。在LEACH每个轮开始时，每个传感器节点都会生成
第2章系统模型中优化问题的构建13图2.2带有MCV的WRSN的示意图2.1.3无线充电模型采用无线识别和传感平台（WISP）-reader的充电模型，发射器会向接收器提供连续的射频能量[35]，该模型只需要考虑充电环境和射频能量发射器与接收器之间的距离，也可以应用于一个射频能量发射器对多个接收器的场景，其中，发射器和接收器之间的充电效率表示为[26]：2()4()srpGGLd=+……………………………(2.2)其中，d是MCV与传感器节点之间的距离，GS是发送器的天线增益，Gr是接收器天线增益，l是波长[35]，LP是极化损耗，h是整流器效率，b是调整Friis’自由空间方程中短距离传输的天线功率参数。在公式2.2中所示，除d以外的所有参数均为常量，是由应用场景决定的。因此，为了便于描述将所有常量规为同一个常量，公式2.2可以简化为：2(d)=+…………………………………(2.3)其中，代表由其他常数参数（公式2.2.中的GS，Gr，LP，l和h）组成的综合因子常量，传感器节点Si的接收功率Pi为[35]：01NinnPP==………………………………(2.4)其中,P0是MCV的发射功率，ui是Sj和Ci之间的充电效率。由公式2.4和
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