無線可充電傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)分析與優(yōu)化.pdf

1、作為一種新興技術，無線可充電傳感器網(wǎng)絡(Wireless Rechargeable Sensor Network,WRSN)集成了無線充電、感知、通信和計算等多種功能。與由電池供電的傳統(tǒng)傳感器節(jié)點不同，無線可充電傳感器節(jié)點可以收集來自無線充電器（或讀寫器）的射頻能量。鑒于其具有小型化的特點和通用的感知功能，無線可充電傳感器在諸如倉庫庫存管理、供應鏈和環(huán)境監(jiān)測、認證等領域具有廣泛的應用前景。隨著無線可充電傳感器節(jié)點設計的日趨成熟，在傳統(tǒng)無

2、線傳感器網(wǎng)絡的基礎上系統(tǒng)地分析和研究無線可充電傳感器網(wǎng)絡的性能具有很大意義。本文結合該方向的最新研究成果，以無線可充電傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)分析與優(yōu)化為主要研究內(nèi)容。本文的主要工作和貢獻包括以下幾個方面:
　　1.本文簡要回顧了無線可充電傳感器網(wǎng)絡的研究背景、研究挑戰(zhàn)和相關國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　2.本文研究了無線可充電節(jié)點的定位問題。在大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡應用中，傳感器節(jié)點的位置信息都不可或缺。例如，在庫房貨物管理和環(huán)境監(jiān)測場景中，系

3、統(tǒng)需要知道節(jié)點位置從而判斷傳感數(shù)據(jù)的來源，并基于此進一步實現(xiàn)機器人輔助搜索和數(shù)據(jù)收集。同時，定位和跟蹤基于RFID的節(jié)點可以幫助超市更好地理解消費者的購物習慣，并在醫(yī)療和救援環(huán)境中提供更好的服務。此外，許多基于地理信息的路由協(xié)議和網(wǎng)絡優(yōu)化算法也都基于已知的節(jié)點位置而提出。在本文中，我們利用無線可充電傳感器網(wǎng)絡中特有的充電特性，首次提出了充電時間(Time of Charge)的概念。利用可充電節(jié)點被充到某一電壓閾值所耗費的時間，我們設計

4、了一種可靠的節(jié)點定位算法TOC。TOC的創(chuàng)新性在于其從時空二維關系上利用移動充電過程中的充電時間序列信息漸進估計節(jié)點位置。此外，基于單步的估計結果，TOC還在線優(yōu)化了此后移動充電器的停留位置。
　　3.本文研究了移動充電器的速率控制問題。無線可充電傳感器網(wǎng)絡通常使用一個可移動的無線充電器來給網(wǎng)絡中的節(jié)點充電。和布置靜態(tài)的充電器相比，使用移動的傳感器不僅成本更低，而且能更好地適應網(wǎng)絡的拓撲結構變化。除此之外，移動充電器可以和數(shù)據(jù)收集

5、設備相結合，在充電的同時收集不同節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，從而降低網(wǎng)絡的擁塞及節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎?。然而，使用可移動的無線充電器也有很多挑戰(zhàn)。其中一個主要的問題是如何控制移動充電器的速度。在全向充電的場景下，每個節(jié)點所獲得的能量主要由兩個因素決定:一是充電器和節(jié)點間的距離;二是充電時間的長短。具體來說，距離越遠、充電時間越短，節(jié)點獲得的能量越少。因此，充電器需要盡可能長地處在節(jié)點周圍。然而，由于節(jié)點分布的不均勻性，不同地理位置的節(jié)點所獲得的電能不可

6、能被同時最大化。在這項工作中，我們考慮移動充電器沿著給定軌跡給節(jié)點充電的一般場景，并設計最優(yōu)的充電器移動速率，從而最大化延長網(wǎng)絡壽命。具體來說，設計的目標是使收集能量最小的節(jié)點所獲得的充電能量最大化。通過這種方式，我們能有效地彌補網(wǎng)絡中能量分布不均勻的情況，從而有效地提升網(wǎng)絡的感知質量、傳輸可靠性和網(wǎng)絡吞吐量。
　　4.本文研究了聯(lián)合優(yōu)化充電與節(jié)點工作狀態(tài)調(diào)度問題。在無線傳感器網(wǎng)絡中考慮感知覆蓋的節(jié)點工作調(diào)度問題已得到廣泛研究。大

7、多數(shù)現(xiàn)有的研究都考慮在供應能量總和確定的條件下，如何最小化總能量消耗。然而，在無線可充電傳感器網(wǎng)絡中，由于充電器的補充能量，每個節(jié)點的剩余能量并不總是單調(diào)下降的，故而傳感器工作調(diào)度變得更加復雜。為了以一種能量平衡的方式給節(jié)點充電并設計其活躍/休眠的工作狀態(tài)，我們在已知充電器充電能力（總充電能量）的情況下，研究如何找到傳感器工作調(diào)度和能量分配的最佳策略。我們的設計縮小了節(jié)點間不同的能量消耗和初始能量分布不平衡之間的差距，從而提升了總能量的

8、效用并延長了網(wǎng)絡壽命。
　　5.本文研究了可充電傳感器網(wǎng)絡通信時延最小化問題。在基于RFID的無線可充電傳感器網(wǎng)絡應用中，為了能夠感知和監(jiān)測重要產(chǎn)品的某些狀態(tài)，我們通常將無線可充電傳感器節(jié)點安裝在不同的物品上。與此同時，RFID讀寫器也通常與節(jié)點部署在一起，或者通過移動來與節(jié)點通信并獲取感知數(shù)據(jù)。從直觀上來說，為了能使讀寫器以最短的時間從所有節(jié)點中獲取傳感器信息，我們需要讓讀寫器能夠盡可能多地覆蓋傳感器節(jié)點。然而，隨著在RFID通

9、信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點數(shù)量的增多，傳感器節(jié)點之間的碰撞也會更頻繁地發(fā)生并導致更大的通信時延。不同于傳統(tǒng)的減少傳感器節(jié)點間通信碰撞的協(xié)議設計工作，本文從一個新的角度研究了一種最優(yōu)化RFID讀寫器的移動方法來使從所有傳感器節(jié)點處獲得的感知數(shù)據(jù)的通信時延最小。與設計新的碰撞協(xié)議相比，此方法僅利用總的通信時延與所有在RFID讀寫器通信范圍內(nèi)的節(jié)點數(shù)量的基本關系。在此基礎之上，分別在兩種讀寫器運動場景（線性移動和在二維平面內(nèi)運動）下給出了最優(yōu)和次優(yōu)

10、停留策略設計。
　　6.本文設計了一種基于無線可充電節(jié)點的門禁認證應用。現(xiàn)有的門禁認證方法可以分為兩大類。第一類基于機械結構的匹配，例如鑰匙和密碼鎖。另一類門禁認證系統(tǒng)基于電子認證，包括條形碼、磁條、生物識別等等。和基于機械匹配的認證相比，電子認證能給管理員和用戶提供更多便利和靈活性。但是，這種系統(tǒng)也免不了遭遇類似鑰匙丟失、非法盜用或復制認證卡等問題。由于此類認證仍然基于嵌入卡內(nèi)的靜態(tài)ID信息，任何攜帶卡的人都具有系統(tǒng)訪問權限。為