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

1、無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)的能量供應是制約無線傳感網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要因素，從外界環(huán)境中獲取能量(Energy Harvesting，EH)技術為解決無線傳感網(wǎng)絡的能量供應提供了一個極具吸引力的方法。然而，外界環(huán)境鐘能量資源的不穩(wěn)定性及隨機性也給外界獲取能量的無線傳感器網(wǎng)絡(Energy Harvesting Wireless Sensor Network，EH-WSN)的理論研究和實際應用

2、帶來了新挑戰(zhàn)。
　　本文分別從EH-WSN節(jié)點的隨機建模，性能分析，優(yōu)化設計三個方面出發(fā)，對EH-WSN節(jié)點進行了分析研究。本文工作的創(chuàng)新點與主要貢獻如下:
　　(1)具有暫時死亡的EH-WSN節(jié)點的隨機建模
　　基于EH-WSN節(jié)點的特性，提出具有暫時死亡的EH-WSN節(jié)點的隨機模型系統(tǒng)。本文構建的EH-WSN節(jié)點的隨機系統(tǒng)模型由三個部分組成，它們分別是EH-WSN節(jié)點的外界能量獲取過程，節(jié)點的工作運行過程和節(jié)點中的

3、能量演變過程。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，這個模型的優(yōu)點在于其解析處理簡單方便，同時，這一模型具有良好延拓性。
　　在EH-WSN節(jié)點的工作運行建模中，考慮節(jié)點的睡眠、偵聽及傳輸三種工作模式，其中，對手傳輸模式，采用M/PH/1/K隊列模型，這個模型具有良好的推廣性與通用性。當具體給定EH-WSN的媒體訪問控制協(xié)議(Media Access Contr

4、ol，MAC)、傳輸差錯控制協(xié)議、路由協(xié)議等因素時，可以應用數(shù)據(jù)具體擬合出相應的節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸時的相應分布參數(shù)。
　　對于EH-WSN節(jié)點的能量變化過程，基于系統(tǒng)的能量獲取過程與節(jié)點的能量消耗，本文引入一個連續(xù)變化的隨機測度過程來刻畫能量的變化過程。
　　特別地，在EH-WSN節(jié)點模犁中考慮其獨有特征，即暫時死亡(Temporal Death)，具體地，當節(jié)點中的能量過程達到水平O(能量耗盡)時，此時，節(jié)點立刻停止所有運行:

5、喪失偵聽感應、數(shù)據(jù)傳輸及處理能力，同時所有數(shù)據(jù)丟失，如同“死亡”一樣。節(jié)點將一直處于這種暫時死亡狀態(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。
　　(2)EH-WSN節(jié)點的性能分析
　　基于具有暫時死亡的EH-WSN節(jié)點模型，本文對EH-WSN節(jié)點進行了性能分析，將EH-WSN節(jié)點的隨機模型轉化成相應的馬爾可夫流體隊列(Markov Fluid Queue，MFQ)模型，利用MFQ理論，給出了EH-WSN節(jié)點的性能

6、指標表示式，如暫時死亡發(fā)生概率、節(jié)點中能量概率密度、節(jié)點中數(shù)據(jù)包個數(shù)分布律、節(jié)點的擁塞率等。同時，通過構造輔助MFQ，本文分別推導出了EH-WSN節(jié)點的兩種類型的丟包率:由予能量耗盡而發(fā)生的丟包率以及由于信道錯誤而發(fā)生的丟包率。
　　通過數(shù)值實驗對EH-WSN節(jié)點的性能指標進行了評估，本文特別分析了暫時死亡對EH-WSN節(jié)點的性能指標的影響以強調建模中考慮暫時死亡的必要性。
　　(3)EH-WSN節(jié)點的優(yōu)化設計
　　針

7、對于具有暫時死亡的EH-WSN節(jié)點模型，考慮了EH-WSN節(jié)點的兩個方兩的優(yōu)化設計:EH-WSN節(jié)點的能量緩存的最優(yōu)尺寸設計和EH-WSN節(jié)點的最優(yōu)傳輸策略。
　　在EH-WSN節(jié)點的能量緩存最優(yōu)尺寸沒計方面，利用有限馬爾可夫流體隊列(Finite Markov Fluid Queue，F(xiàn)MFQ)理論，討論將EH-WSN節(jié)點發(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)點獲得最大回報收益時對應的能量緩存器的最優(yōu)

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