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《湖南大学》 2018年
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基于能量协作的无线传感器网络若干关键技术研究

胡瑾瑜  
【摘要】:作为“互联网+”最有发展前景的应用领域之一,物联网(Internet of Things,Io T)的触角将遍布人们生活、学习和工作的方方面面。在物联网概念实施的过程中,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)的大量部署是维持物物相连特性的重要手段之一。随着长周期物联网应用对数据采集和数据分析需求的日益增长,传统的WSNs在能量管理问题上面临着严峻的挑战。因为传感器节点能量资源受限,现有的WSNs能量有效管理方案并不能彻底解决传统的电池供电传感器网络的能量供应问题。近年来,研究学者们将可充电技术引入到WSNs能量管理设计中,环境能量采集技术和无线能量传输技术是其中两种典型的能量补充解决方案,这两种方案在一定程度上延长了WSNs的生存时间,使传感器节点永久工作成为一种可能。本文深入研究了利用环境能量采集技术和无线能量传输技术为传感器节点进行供电的能量协作无线传感器网络(Energy Harvesting Cooperative Wireless Sensor Networks,EHC-WSNs),传感器节点在能量协作中的能量效率最大化问题和网络吞吐量最优化问题是本文的研究重点。主要的创新点包括:针对能量耗尽的能量协作节点和能量接收节点的及时补能问题,提出了一种提高无线充能效率的基于区域的主动能量协作充能策略;为了能够最小化节点能量消耗并最大化网络生命周期,本文引入机会路由策略,根据传感器节点在距离、剩余能量、能量生成速率和能量消耗速率这四种不同的因素,来进行多跳中继转发抉择,以此来优化网络的能量效率;同时,本文还分析了EHC-WSNs节点的能耗模型特点,提出了基于能量协作的能量均衡管理机制,以此来优化能量效率和提交网络吞吐量;最后,在能量均衡模式的基础上,本文设计了基于石墨烯结构的节点部署方案以此来保证节点的能量覆盖和网络的连通性。具体的研究内容包含以下几方面内容:1.本文建立了基于大规模能量协作无线传感器网络的能量协作网络模型,定义了两种不同类型的中继节点:能量协作节点和能量接收节点。同时,提出了一个能量非均匀分布的主动充电调度算法,即基于区域的主动充能算法(Region-based Proactive Energy Cooperation,RPEC),该算法同时考虑了能量接收节点到能量协作节点的距离和其自身未充电前的初始能量对节点充能的影响,以这两个参考因素作为评价标准来选择下一个待充电的能量接收节点。2.本文计算了最优传输距离的理论值,同时将这个概念应用到真实场景中并在此基础上定义了虚拟的能量等效节点(Energy Equivalent Node,EEN)。在机会路由算法设计过程中,将到能量等效节点的距离、中继节点剩余能量和数据转发次数这些多维问题转化成一维问题,提出了基于能量协作的机会路由算法(Opportunistic Energy Cooperative Routing,OECR),该算法可以优化下一跳中继节点的选择。3.本文比较了传统的基于电池充电的能量模型和基于能量协作的能量模型的不同,分别定义了能量协作节点和能量接收节点满足能量均衡操作需要达到的条件,并深入研究了能量协作节点在能量均衡管理机制下的最优吞吐量问题,提出了基于能量协作的均衡管理机制(Energy-neutral-based Energy Cooperation Mechanism,ENECM),以达到最大化能量效率和优化网络吞吐量的目的。4.本文将石墨烯结构分布概念引入到能量协作网络节点部署方案中,利用石墨烯的特殊结构属性来保证对能量接收节点的有效能量覆盖和网络连通性,并提出了基于石墨烯结构的节点优化部署方案(Graphene-based Optimal Relay Placement Strategy,GORPS),用于解决有效能量覆盖问题和最大化能量利用率的问题。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP212.9;TN929.5

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