無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量中繼的研究和應(yīng)用.pdf

1、在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的大規(guī)模使用中，傳感器節(jié)點(diǎn)自身攜帶能量有限是眾多制約因素中最為嚴(yán)重和致命的。在軍事檢測(cè)和環(huán)境應(yīng)用等傳感器節(jié)點(diǎn)大量使用的場(chǎng)景，使用者很難也幾乎不可能對(duì)電池能量耗盡的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大規(guī)模地逐一更換。利用能量獲取(Energy Harvesting，EH)技術(shù)可以使無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)從周?chē)h(huán)境中獲得能量，從而能夠使傳感器節(jié)點(diǎn)可以持續(xù)工作，延長(zhǎng)其使用壽命。能量獲取的來(lái)源主要包

2、括:光、振動(dòng)或壓力、溫差、電磁波能量等。其中利用電磁波來(lái)傳輸和獲取能量是一種使節(jié)點(diǎn)可以無(wú)線(xiàn)獲取能量的新興方式，由于目前的傳感器節(jié)點(diǎn)可以做到平均工作功率維持在微瓦級(jí)，所以用這種新興電源為節(jié)點(diǎn)供能是可行的。
　　利用微波來(lái)傳輸和獲取能量涉及到無(wú)線(xiàn)能量傳輸(Wireless Power Transfer,WPT)技術(shù)。無(wú)線(xiàn)電波是能量與信息的載體，因此，無(wú)線(xiàn)能量傳輸與無(wú)線(xiàn)信息傳輸(Wireless Information Transmis

3、sion, WIT)的原理是一致的。在本文中我們研究基于微波的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方式來(lái)為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量。由于電磁波在傳輸過(guò)程中存在能量損耗大、傳輸效率低的問(wèn)題，因此本文提出通過(guò)引入無(wú)線(xiàn)能量中繼(WirelessPower Relay，WPR)來(lái)試圖擴(kuò)大無(wú)線(xiàn)能量的傳輸距離和提高傳輸效率，從而保證傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給，延長(zhǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。所謂無(wú)線(xiàn)能量中繼就是用來(lái)延長(zhǎng)無(wú)線(xiàn)能量傳輸距離的裝置，類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)信息傳輸中的微波中繼通信。
　　

4、為了研究本文所提出的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量中繼問(wèn)題，首先概述了無(wú)線(xiàn)能量中繼的系統(tǒng)模型和能量中繼的結(jié)構(gòu)模型，類(lèi)比無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中利用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)(Store and Forward，SF)方式來(lái)提高目的節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，本文提出了無(wú)線(xiàn)能量中繼使用SF方式提高對(duì)目的節(jié)點(diǎn)的能量供給。接著本文探討了無(wú)線(xiàn)能量中繼利用SF方式傳輸能量的具體應(yīng)用，由于通過(guò)使用SF方式進(jìn)行能量中繼來(lái)擴(kuò)大傳輸距離存在著能量損耗，在這種方式下中繼節(jié)點(diǎn)很難（除非距離足夠近）一

5、直為目的節(jié)點(diǎn)提供能量，所以我們先將其應(yīng)用到只有一個(gè)源節(jié)點(diǎn)和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的分時(shí)工作傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行研究并對(duì)其影響因素進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)仿真和理論分析得出當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)獲取能量的時(shí)間和發(fā)射功率一定時(shí)，其相對(duì)位置距離目的節(jié)點(diǎn)越近（距離源節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn)），目的節(jié)點(diǎn)接收到的瞬時(shí)功率越大，同時(shí)由于中繼節(jié)點(diǎn)獲取到的瞬時(shí)功率變小，所以其為目的節(jié)點(diǎn)的提供能量的時(shí)間越短。中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率需要根據(jù)具體的位置，參照目的節(jié)點(diǎn)的工作功率和目的節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整

6、，以使中繼的供能效果達(dá)到最優(yōu)。
　　最后本文把能量中繼應(yīng)用到具有多個(gè)源節(jié)點(diǎn)和多個(gè)目的節(jié)點(diǎn)的分時(shí)工作無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在特定的應(yīng)用場(chǎng)景和條件下，提出一種適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量中繼協(xié)議，并分析了引進(jìn)能量中繼前后對(duì)系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)能量供給率和節(jié)點(diǎn)存活率的影響。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用能量中繼協(xié)議后確實(shí)能夠提高傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給率;當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)為傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量的時(shí)間變長(zhǎng)時(shí)，由于中繼節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存的能量是有上限的，所以中繼節(jié)點(diǎn)的供能