同频干涉下的无线充电器优化部署研究

发布时间：2020-04-30 04:18

【摘要】：无线充电技术被认为是解决无线传感器网络(WSNs)能量受限问题的一种有前途的解决方案。在很多恶劣的地形下,采用移动充电器的方法往往不可行,因此需要使用多个固定的充电器对WSN进行远程充电。显然,如果这些充电器使用不同频率,那么将会占用太多的无线信道资源,而如果这些充电器的无线充电信号采用相同的频率,则由于无线电干涉,使得多个充电器在单个传感器节点上的充电效率不再是简单的单个充电器充电效率之和。它们会因部署地点的特殊性,使得多个同频充电器的充电效率相互抵消,也可能因为地点的特殊性,使得多个充电器的充电效率显著大于单个充电器充电效率之和。对此,本文专门制作了若干个严格同频的无线充电器硬件,并实验验证了这一现象。在此基础上,本文围绕这样一个问题展开研究:鉴于同频无线充电器占用更少的信道资源,在给定传感器网络部署下,能否通过合理部署同频无线充电器的位置,使其充电性能接近异频充电器?针对这个问题,本文从两个方面展开研究。一方面,在给定传感器节点的最小充电功率门限下,所需要部署的同频充电器数目是否能接近于异频充电器。另一方面,在给定两种充电器的数目情况下,同频充电器在传感器节点上提供的最小充电功率是否能接近相同数目的异频充电器。然后,针对这两种研究思路,我们分别给出问题的数学建模,证明了这两类问题均属于NP难问题。在此基础上,本文针对这两类问题分别设计了相应的贪心算法并证明了第一个问题的贪心算法性能上界。本文最后对算法进行了大量的仿真实验,实验结果表明:1)在给定传感器节点的无线充电功率阈值下,所需要的同频充电器数量在多数情况下不超过异频充电器数量的1.1倍;2)在给定充电器数量下,同频充电器所提供的最低无线充电功率在多数情况下可达到异频充电器的80%。可见,同频充电器在仅占用一个信道资源下即可在多数情况实现与异频充电器相接近的充电性能。最后,在合理部署同频无线充电器之后,我们发现进一步组合调度这些同频无线充电器的工作并不能进一步提高它们的充电效率。
【图文】：

健康监测,桥梁结构,电子标签,充电站

华中科技大学硕士学位论文并行长距无线充电有望成为提升全网无线充电速度的有效办法——通过在感器网络工作区域部署多个固定充电站，，能够对区域内传感器节点进行联合电。以桥梁结构健康监测为例，如图 1-1 所示，在大型桥梁设施上永久部署节点进行监测，为了使传感器节点获取到持续不断的能量，在桥梁上各电源近处布置固定无线充电站，实现对桥梁的持久监测。可以看到，并行无线充来两个好处：扩展单点无线充电的范围；增强单点无线充电的功效。

干涉效应,同频,充电器

多个同频无线充电信号之间会形成干涉效应（某些地方信号增强、而某些地方信号相互抵消），造成不同区域的信号强度具有显著差异，使得某些区域的联合充电效果反而不如单点无线充电，如图1-4所示。干涉效应的存在，导致网内各传感器节点的充电速度差别极为显著。图 1-4 同频并行无线充电时的干涉效应对于给定的无线传感器网络，我们希望在占用更少信道资源的情况下，通过合理部署充电器位置，使同频充电器的充电性能接近异频充电器的充电性能。为此，本文提出两个目标作为研究内容：在给定无线传感器最小充电功率门限的条件下，合理部署充电器位置，使其数目最小化。给定无线充电器数目，合理部署其位置，使得无线传感器节点最小充电功率最大化。1.3 国内外研究现状无线充电是无线传感器网络中重要的组成部分，而电磁辐射(EMR)是传感器节点获取能量的一种经济有效的方式，因此经常被用于给 WSNs 充电[1][17][18]。对于在传感器网络中采取的充电方法
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;TP212.9

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