無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Rechargeable Sensor Network,WRSN)集成了無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)可充電傳感器節(jié)點(diǎn)可以收集來(lái)自無(wú)線(xiàn)充電器（或讀寫(xiě)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(wú)線(xiàn)可充電傳感器在諸如倉(cāng)庫(kù)庫(kù)存管理、供應(yīng)鏈和環(huán)境監(jiān)測(cè)、認(rèn)證等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。隨著無(wú)線(xiàn)可充電傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的日趨成熟，在傳統(tǒng)無(wú)

2、線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地分析和研究無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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?jī)?nèi)容。本文的主要工作和貢獻(xiàn)包括以下幾個(gè)方面:
　　1.本文簡(jiǎn)要回顧了無(wú)線(xiàn)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。
　　2.本文研究了無(wú)線(xiàn)可充電節(jié)點(diǎn)的定位問(wèn)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(kù)房貨物管理和環(huán)境監(jiān)測(cè)場(chǎng)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(lái)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(shí)，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(gòu)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(wú)線(xiàn)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(shí)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(shí)間，我們?cè)O(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(shí)空二維關(guān)系上利用移動(dòng)充電過(guò)程中的充電時(shí)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(xiàn)優(yōu)化了此后移動(dòng)充電器的停留位置。
　　3.本文研究了移動(dòng)充電器的速率控制問(wèn)題。無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)通常使用一個(gè)可移動(dòng)的無(wú)線(xiàn)充電器來(lái)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(dòng)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(dòng)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(shí)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?。然而，使用可移?dòng)的無(wú)線(xiàn)充電器也有很多挑戰(zhàn)。其中一個(gè)主要的問(wèn)題是如何控制移動(dòng)充電器的速度。在全向充電的場(chǎng)景下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所獲得的能量主要由兩個(gè)因素決定:一是充電器和節(jié)點(diǎn)間的距離;二是充電時(shí)間的長(zhǎng)短。具體來(lái)說(shuō)，距離越遠(yuǎn)、充電時(shí)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(zhǎng)地處在節(jié)點(diǎn)周?chē)?。然而，由于?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(shí)最大化。在這項(xiàng)工作中，我們考慮移動(dòng)充電器沿著給定軌跡給節(jié)點(diǎn)充電的一般場(chǎng)景，并設(shè)計(jì)最優(yōu)的充電器移動(dòng)速率，從而最大化延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。具體來(lái)說(shuō)，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(guò)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(wèn)題。在無(wú)線(xiàn)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(wèn)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(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由于充電器的補(bǔ)充能量，每個(gè)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?cè)谝阎潆娖鞒潆娔芰Γ偝潆娔芰浚┑那闆r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(zhǎng)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(shí)延最小化問(wèn)題。在基于RFID的無(wú)線(xiàn)可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，為了能夠感知和監(jiān)測(cè)重要產(chǎn)品的某些狀態(tài)，我們通常將無(wú)線(xiàn)可充電傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在不同的物品上。與此同時(shí)，RFID讀寫(xiě)器也通常與節(jié)點(diǎn)部署在一起，或者通過(guò)移動(dòng)來(lái)與節(jié)點(diǎn)通信并獲取感知數(shù)據(jù)。從直觀上來(lái)說(shuō)，為了能使讀寫(xiě)器以最短的時(shí)間從所有節(jié)點(diǎn)中獲取傳感器信息，我們需要讓讀寫(xiě)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(huì)更頻繁地發(fā)生并導(dǎo)致更大的通信時(shí)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(gè)新的角度研究了一種最優(yōu)化RFID讀寫(xiě)器的移動(dòng)方法來(lái)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(shí)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(shí)延與所有在RFID讀寫(xiě)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(xiě)器運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景（線(xiàn)性移動(dòng)和在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)）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(wú)線(xiàn)可充電節(jié)點(diǎn)的門(mén)禁認(rèn)證應(yīng)用?，F(xiàn)有的門(mén)禁認(rèn)證方法可以分為兩大類(lèi)。第一類(lèi)基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的匹配，例如鑰匙和密碼鎖。另一類(lèi)門(mén)禁認(rèn)證系統(tǒng)基于電子認(rèn)證，包括條形碼、磁條、生物識(shí)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(hù)提供更多便利和靈活性。但是，這種系統(tǒng)也免不了遭遇類(lèi)似鑰匙丟失、非法盜用或復(fù)制認(rèn)證卡等問(wèn)題。由于此類(lèi)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(wèn)權(quán)限。為