可充電傳感器網(wǎng)絡的資源管理與優(yōu)化研究.pdf

1、隨著傳感器技術、無線通信技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡成為多學科交叉的熱點前沿研究領域之一，也是當前國際上最受關注的高科技技術之一。無線傳感器網(wǎng)絡以低成本、低功耗、分布式計算、自組織等特點在諸多領域得到廣泛應用，如工業(yè)過程、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療護理、物聯(lián)網(wǎng)和智能電網(wǎng)等，具有廣闊的應用前景和很高的商業(yè)價值，因此受到學術界和工業(yè)界的高度關注。
　　然而，受電池技術發(fā)展的限制，傳感器節(jié)點的電源能量極其有限，限制了無線傳感器網(wǎng)絡的推

2、廣應用。為了解決傳感器節(jié)點能量受限問題，將能量收集技術作為傳感器節(jié)點的能量補充手段的可充電傳感器網(wǎng)絡應運而生，為傳感器節(jié)點的長期有效運行提供了可能。能量收集技術為解決無線傳感器網(wǎng)絡的能源供給問題提供有效途徑的同時，也為可充電傳感器網(wǎng)絡的研究帶來了新的挑戰(zhàn):由于所獲取的能量是不穩(wěn)定且不可控的，如何有效地管理和利用所獲取的能量，使得網(wǎng)絡的性能得到優(yōu)化是可充電傳感器網(wǎng)絡中急需解決的首要問題。本文結合國內外最新的研究成果，考慮了各種場景下可充電

3、傳感器網(wǎng)絡中的資源管理與優(yōu)化問題，并針對不同的場景提出了相應的資源管理及其優(yōu)化算法。本文的主要工作和貢獻可概括為以下幾個方面:
　　1.介紹了可充電傳感器網(wǎng)絡的產生背景、相關概念、優(yōu)勢、應用領域、所面臨的挑戰(zhàn)及其國內外在資源管理與優(yōu)化方面的研究現(xiàn)狀。
　　2.研究了可充電傳感器網(wǎng)絡中電池容量受限情況下的資源管理與優(yōu)化問題。針對能量獲取的不穩(wěn)定性以及節(jié)點電池的存儲能量有限等特性，提出了一種自適應能量分配方案，使得傳感器節(jié)點能夠

4、以一種高效的方式來管理其能量消耗，并設計了一種分布式采樣速率控制算法使得每個傳感器節(jié)點都能獲得最佳的采樣速率。此外，還設計一種改進的能量分配方案用于降低所獲取能量估計誤差對系統(tǒng)性能的影響。最后，通過大量的仿真驗證了算法的有效性。
　　3.研究了可充電傳感器網(wǎng)絡中時空耦合下的資源管理與優(yōu)化問題?？沙潆妭鞲衅鞴?jié)點的能量獲取和能量消耗在時域上具有耦合性，且傳感器節(jié)點的能量消耗因數(shù)據(jù)傳輸在空間上也具有耦合性。為了獲得最佳網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集，本文

5、通過分析能量獲取與能量消耗之間的時空關聯(lián)性以及能量消耗與數(shù)據(jù)傳輸之間的關系，利用對偶分解理論設計了一種聯(lián)合能量管理和采樣速率控制的分布式算法，使得整個網(wǎng)絡的效用最大化。通過與已有算法的仿真結果比較，驗證了所提出算法的優(yōu)越性。
　　4.研究了動態(tài)網(wǎng)絡拓撲下可充電傳感器網(wǎng)絡的能量管理與數(shù)據(jù)收集問題。由于能量獲取過程的不穩(wěn)定性和傳感器節(jié)點調整功率所引起的網(wǎng)絡拓撲動態(tài)性，使得可充電傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集變得更加復雜。針對該問題，本文首先設計

6、了一種均衡的能量分配方案來管理傳感器節(jié)點的能量消耗，然后提出了一種分布式的聯(lián)合采樣速率控制、功率控制和路由控制的算法來優(yōu)化整個網(wǎng)絡性能。并從理論上證明算法的收斂性和最優(yōu)性。此外，本文還設計了一種改進能量管理策略和拓撲管理策略來盡量減少能量調整次數(shù)和計算復雜度。仿真結果表明提出的算法能夠有效地利用所獲取能量來最優(yōu)化網(wǎng)絡性能。
　　5.研究了移動匯聚節(jié)點下可充電傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集問題。本文通過將移動匯集節(jié)點引入到可充電傳感器網(wǎng)絡中來