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

1、作為一種新興技術(shù)，無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Rechargeable Sensor Network,WRSN)集成了無線充電、感知、通信和計(jì)算等多種功能。與由電池供電的傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)不同，無線可充電傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)鏈和環(huán)境監(jiān)測、認(rèn)證等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著無線可充電傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的日趨成熟，在傳統(tǒng)無

2、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地分析和研究無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能具有很大意義。本文結(jié)合該方向的最新研究成果，以無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)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(luò)的研究背景、研究挑戰(zhàn)和相關(guān)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　2.本文研究了無線可充電節(jié)點(diǎn)的定位問題。在大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)位置從而判斷傳感數(shù)據(jù)的來源，并基于此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)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(diǎn)可以幫助超市更好地理解消費(fèi)者的購物習(xí)慣，并在醫(yī)療和救援環(huán)境中提供更好的服務(wù)。此外，許多基于地理信息的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法也都基于已知的節(jié)點(diǎn)位置而提出。在本文中，我們利用無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)被充到某一電壓閾值所耗費(fèi)的時間，我們設(shè)計(jì)

4、了一種可靠的節(jié)點(diǎn)定位算法TOC。TOC的創(chuàng)新性在于其從時空二維關(guān)系上利用移動充電過程中的充電時間序列信息漸進(jìn)估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置。此外，基于單步的估計(jì)結(jié)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(luò)通常使用一個可移動的無線充電器來給網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)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(yīng)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。除此之外，移動充電器可以和數(shù)據(jù)收集

5、設(shè)備相結(jié)合，在充電的同時收集不同節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，從而降低網(wǎng)絡(luò)的擁塞及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎摹Ｈ欢?，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(diǎn)所獲得的能量主要由兩個因素決定:一是充電器和節(jié)點(diǎn)間的距離;二是充電時間的長短。具體來說，距離越遠(yuǎn)、充電時間越短，節(jié)點(diǎn)獲得的能量越少。因此，充電器需要盡可能長地處在節(jié)點(diǎn)周圍。然而，由于節(jié)點(diǎn)分布的不均勻性，不同地理位置的節(jié)點(diǎn)所獲得的電能不可

6、能被同時最大化。在這項(xiàng)工作中，我們考慮移動充電器沿著給定軌跡給節(jié)點(diǎn)充電的一般場景，并設(shè)計(jì)最優(yōu)的充電器移動速率，從而最大化延長網(wǎng)絡(luò)壽命。具體來說，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使收集能量最小的節(jié)點(diǎn)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(bǔ)網(wǎng)絡(luò)中能量分布不均勻的情況，從而有效地提升網(wǎng)絡(luò)的感知質(zhì)量、傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。
　　4.本文研究了聯(lián)合優(yōu)化充電與節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)調(diào)度問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中考慮感知覆蓋的節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(luò)中，由于充電器的補(bǔ)充能量，每個節(jié)點(diǎn)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(fù)雜。為了以一種能量平衡的方式給節(jié)點(diǎn)充電并設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)縮小了節(jié)點(diǎn)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(luò)壽命。
　　5.本文研究了可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)應(yīng)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(diǎn)安裝在不同的物品上。與此同時，RFID讀寫器也通常與節(jié)點(diǎn)部署在一起，或者通過移動來與節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)。然而，隨著在RFID通

9、信范圍內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，傳感器節(jié)點(diǎn)之間的碰撞也會更頻繁地發(fā)生并導(dǎo)致更大的通信時延。不同于傳統(tǒng)的減少傳感器節(jié)點(diǎn)間通信碰撞的協(xié)議設(shè)計(jì)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(diǎn)處獲得的感知數(shù)據(jù)的通信時延最小。與設(shè)計(jì)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(diǎn)數(shù)量的基本關(guān)系。在此基礎(chǔ)之上，分別在兩種讀寫器運(yùn)動場景（線性移動和在二維平面內(nèi)運(yùn)動）下給出了最優(yōu)和次優(yōu)

10、停留策略設(shè)計(jì)。
　　6.本文設(shè)計(jì)了一種基于無線可充電節(jié)點(diǎn)的門禁認(rèn)證應(yīng)用。現(xiàn)有的門禁認(rèn)證方法可以分為兩大類。第一類基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的匹配，例如鑰匙和密碼鎖。另一類門禁認(rèn)證系統(tǒng)基于電子認(rèn)證，包括條形碼、磁條、生物識別等等。和基于機(jī)械匹配的認(rèn)證相比，電子認(rèn)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(fù)制認(rèn)證卡等問題。由于此類認(rèn)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(quán)限。為