具有暫時(shí)死亡的EH-WSN節(jié)點(diǎn)的建模、性能分析及優(yōu)化.pdf

1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)的能量供應(yīng)是制約無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要因素，從外界環(huán)境中獲取能量(Energy Harvesting，EH)技術(shù)為解決無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)提供了一個(gè)極具吸引力的方法。然而，外界環(huán)境鐘能量資源的不穩(wěn)定性及隨機(jī)性也給外界獲取能量的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Wireless Sensor Network，EH-WSN)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用

2、帶來(lái)了新挑戰(zhàn)。
　　本文分別從EH-WSN節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)建模，性能分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面出發(fā)，對(duì)EH-WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析研究。本文工作的創(chuàng)新點(diǎn)與主要貢獻(xiàn)如下:
　　(1)具有暫時(shí)死亡的EH-WSN節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)建模
　　基于EH-WSN節(jié)點(diǎn)的特性，提出具有暫時(shí)死亡的EH-WSN節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)模型系統(tǒng)。本文構(gòu)建的EH-WSN節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)系統(tǒng)模型由三個(gè)部分組成，它們分別是EH-WSN節(jié)點(diǎn)的外界能量獲取過(guò)程，節(jié)點(diǎn)的工作運(yùn)行過(guò)程和節(jié)點(diǎn)中的

3、能量演變過(guò)程。具體地:
　　在外界能量獲取方面，采用兩狀態(tài)馬爾可夫(Two-State Markov)能量獲取模型，這個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)在于其解析處理簡(jiǎn)單方便，同時(shí)，這一模型具有良好延拓性。
　　在EH-WSN節(jié)點(diǎn)的工作運(yùn)行建模中，考慮節(jié)點(diǎn)的睡眠、偵聽(tīng)及傳輸三種工作模式，其中，對(duì)手傳輸模式，采用M/PH/1/K隊(duì)列模型，這個(gè)模型具有良好的推廣性與通用性。當(dāng)具體給定EH-WSN的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議(Media Access Contr

4、ol，MAC)、傳輸差錯(cuò)控制協(xié)議、路由協(xié)議等因素時(shí)，可以應(yīng)用數(shù)據(jù)具體擬合出相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的相應(yīng)分布參數(shù)。
　　對(duì)于EH-WSN節(jié)點(diǎn)的能量變化過(guò)程，基于系統(tǒng)的能量獲取過(guò)程與節(jié)點(diǎn)的能量消耗，本文引入一個(gè)連續(xù)變化的隨機(jī)測(cè)度過(guò)程來(lái)刻畫(huà)能量的變化過(guò)程。
　　特別地，在EH-WSN節(jié)點(diǎn)模犁中考慮其獨(dú)有特征，即暫時(shí)死亡(Temporal Death)，具體地，當(dāng)節(jié)點(diǎn)中的能量過(guò)程達(dá)到水平O(能量耗盡)時(shí)，此時(shí)，節(jié)點(diǎn)立刻停止所有運(yùn)行:

5、喪失偵聽(tīng)感應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸及處理能力，同時(shí)所有數(shù)據(jù)丟失，如同“死亡”一樣。節(jié)點(diǎn)將一直處于這種暫時(shí)死亡狀態(tài)，隨到它再次從外界獲得能量，才能喚醒系統(tǒng)并重新啟動(dòng)。
　　(2)EH-WSN節(jié)點(diǎn)的性能分析
　　基于具有暫時(shí)死亡的EH-WSN節(jié)點(diǎn)模型，本文對(duì)EH-WSN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了性能分析，將EH-WSN節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)模型轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的馬爾可夫流體隊(duì)列(Markov Fluid Queue，MFQ)模型，利用MFQ理論，給出了EH-WSN節(jié)點(diǎn)的性能

6、指標(biāo)表示式，如暫時(shí)死亡發(fā)生概率、節(jié)點(diǎn)中能量概率密度、節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)分布律、節(jié)點(diǎn)的擁塞率等。同時(shí)，通過(guò)構(gòu)造輔助MFQ，本文分別推導(dǎo)出了EH-WSN節(jié)點(diǎn)的兩種類(lèi)型的丟包率:由予能量耗盡而發(fā)生的丟包率以及由于信道錯(cuò)誤而發(fā)生的丟包率。
　　通過(guò)數(shù)值實(shí)驗(yàn)對(duì)EH-WSN節(jié)點(diǎn)的性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估，本文特別分析了暫時(shí)死亡對(duì)EH-WSN節(jié)點(diǎn)的性能指標(biāo)的影響以強(qiáng)調(diào)建模中考慮暫時(shí)死亡的必要性。
　　(3)EH-WSN節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　針

7、對(duì)于具有暫時(shí)死亡的EH-WSN節(jié)點(diǎn)模型，考慮了EH-WSN節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)方兩的優(yōu)化設(shè)計(jì):EH-WSN節(jié)點(diǎn)的能量緩存的最優(yōu)尺寸設(shè)計(jì)和EH-WSN節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸策略。
　　在EH-WSN節(jié)點(diǎn)的能量緩存最優(yōu)尺寸沒(méi)計(jì)方面，利用有限馬爾可夫流體隊(duì)列(Finite Markov Fluid Queue，F(xiàn)MFQ)理論，討論將EH-WSN節(jié)點(diǎn)發(fā)生能量耗盡和能量溢出概率控制在允許范圍內(nèi)的前提下，EH-WSN節(jié)點(diǎn)獲得最大回報(bào)收益時(shí)對(duì)應(yīng)的能量緩存器的最優(yōu)

8、尺寸，同時(shí)，給出了EH-WSN節(jié)點(diǎn)的能量緩存的最優(yōu)尺寸算法。在數(shù)值實(shí)驗(yàn)中，分析了系統(tǒng)模型中的各個(gè)參數(shù)對(duì)EH-WSN節(jié)點(diǎn)的能量緩存尺寸的影響。
　　在EH-WSN節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸策略方面，為了分析EH-WSN節(jié)點(diǎn)的傳輸策略，本文由多層馬爾可夫流體隊(duì)列(Mutil-Layer Markov Fluid Queue，MLMFQ)理論，給出了使EH-WSN節(jié)點(diǎn)獲取最大平均報(bào)酬率情形下的最優(yōu)傳輸策略算法。同時(shí)給出了數(shù)值算例，并分析和評(píng)估系統(tǒng)模