基于多节点充电模型的按需充电优化方法研究

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最近,借助有前景的无线能量传输技术,在无线可充电传感器网络中,使用移动充电器为电池能量有限的传感器节点充电越来越受到研究界的关注。然而,大多数现有的研究都集中在周期性充电方案和单节点充电。由于周期性充电方案忽略了网络的动态变化因素,通常会导致大量节点无法正常工作和低充电性能,并且单节点充电的效率较低且可扩展性差。为了处理这些问题,提出了按需多节点充电技术。但由于未考虑充电的公平性以及未充分利用多节点充电的功能等问题,现有的按需多节点充电仍会受到性能限制。本文基于多节点充电模型,针对按需充电架构提出了两种移动充电调度优化方案。主要研究工作如下:(1)研究了基于多节点充电模型的按需优先级充电调度问题,优化目标是最大程度地减少死亡节点数量和移动充电器的能量消耗。本文根据传感器节点与基站之间的距离关系,对传感器节点的能耗率提出了一种线性模型。为了减少所选的停止点数量,由于问题是NP-hard,文中提出了一种基于形心的聚类启发式算法。在充电半径的约束下,算法通过迭代的方式将请求节点划分到不同的簇中,并选择簇中所有节点坐标的平均值作为停止点,以便平衡簇中各个节点的充电时间。在路径规划阶段,为了公平地对节点充电,同时考虑节点的剩余寿命和停止点与移动充电器之间的距离因素来计算簇的优先级,以指导移动充电器选择下一个停止点。最后,通过一系列的仿真验证了算法的有效性。(2)研究了基于多节点充电模型的按需顺带充电调度问题,以最大化充电能量效率为优化目标。本文首次考虑了移动充电器在为请求节点充电时,允许其为覆盖范围内的非请求节点同时充电。在每轮充电中,对请求节点只充电一次且充满电,对非请求节点允许多次部分充电,直到充满电为止。为了进一步减少分组个数,通过对已有的算法改进提出了一种更有效的启发式算法,并证明了停止点选择的正确性。本文首次分析了低效率分组对充电性能的影响,并提出了拆分低效率分组的有效策略,以局部优化行驶路径。通过降低能量消耗和为更多的非请求节点充电可以提高充电性能。最后,仿真实验在离线和按需场景中分别评估了所提算法和方案的性能。
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