可充电无线传感网能量源移动优化方案设计与仿真

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与传统的无线传感器网络相比,可充电无线传感器网络中的节点能够从外界获取能量,从而解决传统传感器节点的能量约束限制问题,有着广阔的发展前景。在众多的能量补充方式中,通过无线射频(RF)给节点补充能量以其技术成熟,易于移植,成本相对低廉,一对多充电等特性得到了研究人员的关注。在充电能量源规划领域,按照网络中的能量源数目划分,现有工作可以分为两类:单能量源充电方案和多能量源充电方案。按照能量源给节点充电时的范围分类,可以分为单对单充电方案和单对多充电方案。按照能量源是否具有移动性分,可以分为两类:能量源静态部署问题和能量源移动规划问题。  本文针对单能量源、多节点可充电无线传感器网络的能量源移动优化问题展开研究,其中,能量源只有在停留阶段才能进行充电。本文首先定义了新的充电功率函数:在给网络补充相同能量的情况下,充电功率越大,所需要的充电时间就会越少,充电效能就越高。通过分析该充电功率函数的函数性质,采用数值法求解充电功率函数的潜在极值点,获得能量源的候选停留点集合。在此基础上,通过数学规划,构造并且求解了节点能量阈值约束下的最小化充电时间和最大化充电效率问题。通过求解上述规划问题,本文得到能量源在不同备选停留点的停留时间,从而达到最小化充电时间或最大化充电效率的优化目标。通过仿真实验表明,本文选择的能量源停留点由于充分利用了充电模型的性质,在最小化充电时间问题上能够大大减少计算量和计算时间,与把平面简单分块的方法相比,大大缩短所需的充电时间。在最大化充电效率的问题求解中本文发现,充电效率与能量源的充电功率无关,而与节点的密度密切相关。这启示我们无线射频的一对多充电原理决定了这种方式在低功耗且节点密度比较高的时候才能发挥较好的效果。最大化的充电效率只有不到10%,与充电效率高达80%以上的磁耦合共振方式相比,无线射频充电方式还需要在软硬件方面继续改进,提高充电效率。
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