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文檔簡介
1、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)作為下一代信息科技發(fā)展的關鍵組成部分,是信息化與自動化“兩化”融合時代的重要發(fā)展階段。無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks),是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要前端組成部分,其利用局部網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)等連接技術形成物與物、物與人、人與人相聯(lián),有效實現(xiàn)信息化、自動化和智能化網(wǎng)絡,也就是物物相息。無線傳感器網(wǎng)絡利用多種技術,將數(shù)據(jù)信息可靠地向終端傳輸,以備進一步的數(shù)據(jù)融合與智能決策。
2、r> 可充電傳感器網(wǎng)絡利用多種能量收集技術,其能量可源源不斷地自周圍環(huán)境中收集,從而使傳感器節(jié)點擺脫由于電池供電帶來的能量制約。能量管理與優(yōu)化是傳感器網(wǎng)絡中的重要問題,而可充電傳感器網(wǎng)絡中能量收集及使用的效能優(yōu)化,是實現(xiàn)網(wǎng)絡整體最佳性能的關鍵環(huán)節(jié)。作為一個新的研究熱點,可充電傳感器網(wǎng)絡得到了國內(nèi)外學者的普遍關注,近年來相繼涌現(xiàn)出許多重要的研究成果。但針對可充電傳感器網(wǎng)絡的充電、用電過程中仍存在許多亟待解決的問題,而且在國內(nèi)的相關研究才
3、剛興起。本文以可充電傳感器網(wǎng)絡中能量分配與優(yōu)化為主要研究內(nèi)容,結合高效的優(yōu)化算法與先進的調度技術,針對不同的研究問題需求,優(yōu)化設計相應的能量分配機制與方案,從而有效提高整個網(wǎng)絡的使用效能,為系統(tǒng)實現(xiàn)提供行之有效的技術指導。本文的主要工作和貢獻包括以下幾個方面:
1.簡要回顧了可充電傳感器網(wǎng)絡的相關研究背景、概述、技術優(yōu)勢、應用領域、研究挑戰(zhàn)和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
2.研究非接觸式充電模式下,單個能量源的最佳移動控制策略。
4、本文首次提出了可充電傳感器網(wǎng)絡中最小化充電時延的概念,研究場景是隨機分布的可充電傳感器節(jié)點網(wǎng)絡,單個能量源按照“走、停、走”的移動模式,當停留在具體某個位置時,能量源停留相應時間給附近若干節(jié)點充電。本文提出了一種低復雜度算法,在平面上尋找最優(yōu)停留點及相應停留時間,以最小化總充電時延。本文首先將搜尋區(qū)域縮小到一個最小外接圓,然后將該圓形區(qū)域進一步分割成有限數(shù)量的子區(qū)域,得到最優(yōu)停留點及相應的充電時延。為了系統(tǒng)實現(xiàn)考慮,本文設計了一種停留點
5、聚合算法,并且保證聚合后充電時延不超過可設定的閾值,使得算法最后得到的充電時延與理論最優(yōu)值相比具有(1+θ)/(1-ε)的比值上限。在大量仿真中驗證該算法的有效性,即以低復雜度的計算成本得到較為滿意的性能,并且為用戶在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的參數(shù)設定提供技術參考。
3.研究非接觸式充電模式下,結合節(jié)點蓄能部件容量受限場景來優(yōu)化多個能量源的靜態(tài)部署方案。本文首次考慮可充電傳感器網(wǎng)絡中,如何基于節(jié)點蓄能部件容量受限這一實際因素來設計能量源
6、的優(yōu)化部署。本文研究目標是部署最少數(shù)目的能量源,同時保證所有節(jié)點能持續(xù)性工作。本文首先提出了一種二分搜尋算法來得到每個節(jié)點所需的最小充電功率,接著將充電區(qū)域離散化,在切割精度為ε的情況下,得到有限數(shù)量的可選停留子區(qū)域?;趨^(qū)域離散化及最優(yōu)所需充電功率,設計了PTAS算法在網(wǎng)絡中找到近似最優(yōu)的能量源數(shù)目。接著,通過實際系統(tǒng)實驗及大量仿真實驗驗證了本章算法的有效性。
4.研究接觸式充電模式下,單個移動能量源的最優(yōu)行走策略。本文首次
7、在可充電傳感器網(wǎng)絡中,設計算法以同時減小能量源行走路線和節(jié)點平均充電時延。本文創(chuàng)新性地提出了ESync算法,是一種為可充電傳感器節(jié)點提供能量的移動充電協(xié)議。本文首先提出了一種α冪分簇方法,根據(jù)能耗率為節(jié)點分簇,并相應構建一組嵌套的最優(yōu)TSP路線,并提出了一種TSP路線選擇算法,以減少能量源行走路線。進一步,在每輪充電過程中,預先優(yōu)化調整節(jié)點發(fā)送充電請求的次序,來匹配節(jié)點在TSP路線上的次序保持一致,以減少傳感器節(jié)點的平均充電時延。本文通
8、過實際系統(tǒng)實驗及大量仿真實驗驗證了ESync算法的性能優(yōu)越性。
5.研究可充電場景下,在網(wǎng)絡層面上協(xié)同調度節(jié)點間的任務執(zhí)行最佳方案。本文首次在可充電傳感器網(wǎng)絡中,優(yōu)化設計節(jié)點間的任務調度策略??紤]隨機部署可充電傳感器節(jié)點的通用場景,由一能量源沿著固定軌跡移動,給網(wǎng)絡中節(jié)點進行無線充電以保證其執(zhí)行一定的任務量。本文研究目標是保證任務調度分配方案可行的前提下,最大化能量源移動速度。本文首先創(chuàng)新性地提出一種在線任務調度LB算法,得到
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