无线供电传感器网络链路优化及功率控制策略研究

摘要

随着科学技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）技术已经取得了较大进步，并且展现出了广阔的发展前景。但是无线传感网络中节点大多数采用纽扣电池供电，而电池能量是有限的，这样极大地限制了保证整个网络的工作可靠性。而且大量的使用和更换电池，既提高了成本也污染环境。因此如何合理、高效利用传感器节点的有限能量，就成为了无线传感网络技术研究的关键性问题。目前国内外学者针对该问题，大多数采用一些优化算法来均衡网络各个节点的能耗以提高网络的生命周期。随着近几年无线电能传输技术（Wireless Power Transfer，WPT）的快速发展，这为解决无线传感网络的节点无线供电及提高网络的生命周期提供了最佳解决方案。
　　本文针对无线传感器网络中的节点的能量有限且利用率低下，研究一种能量可双向传输的综合无线供电传感器网络。建立无线供电网络模型，分析节点能量传输特性以及相关网络特征，提出基于权重偏好的蚁群算法对能量链路进行优化，寻找一条最优链路，最终实现网络生命周期最大化，并总结出无线供电网络三种基本传输模型。然后从无线传感器网络的物理层出发，给出电路的具体模型，分析节点的功率控制策略。
　　论文首先对无线传感网络的研究现状，无线电能传输技术及传感器网络节点无线供电的国内外研究与发展现状做了详细的介绍。论文对无线传感器网络的工作原理，协议栈及其网络拓扑结构进行分析；介绍无线电能传输技术的基本工作原理，重点分析了其补偿结构。最终建立无线供电传感器网络模型，详细比较分析与传统的无线传感器网络的异同点。
　　紧接着，论文对所建立的无线供电传感器网络模型进行研究，论文详细介绍了网络的节点属性及网络运行机制，并建立了无线供电网的链路优化数学模型。根据网络的特征，采用了节点传输效率，节点剩余能量，传输时延三个效能指标，作为链路优化的评判标准，采用基于权重偏好的的蚁群算法对无线电能传输链路进行优化，最终得出最优链路。
　　然后，论文针对目前对传感器节点的功率控制研究算法一般应用于网络层或数据链路层的问题。论文通过物理层对无线供电传感器网络进行功率控制研究。分析了基于无线电能传输技术的能量双向传输的拓扑结构，并针对该拓扑结构进行功率控制，最终采用移相PWM控制策略实现节点的功率控制，并得到三种节点无线电能传输模式的功率控制公式。
　　最后，论文通过matlab编程对基于权重偏好的蚁群算法进行仿真验证，验证了该算法对链路优化问题的可行性和有效性；通过搭建实验平台，验证了LCL的电路拓扑结构的双向传输的特性，及验证了无线供电网的三种传输模式功率控制。
　　通过本文对无线电能传输技术在无线传感器网络节点的无线供电的研究，这为无线传感器网络的节点能量有限问题提供了新的解决方案，从而有效地推动无线传感器网络技术的发展及无线电能传输应用化技术发展，为后续相关研究提供了理论基础及借鉴意义。

目录

声明

致谢

1 绪论

1.1 研究背景（Research Background）

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.3 研究目的及意义（ Research Objective and Significance of Thesis）

1.4 论文主要内容（Main Contents of Thesis）

1.5 本章小结（Summary）

2 无线供电传感器网络概述

2.1 无线传感器网络概述（Summary of Wireless Sensor Network）

2.2 无线电能传输技术的概述（ Summary of Wireless Power Transfer Technology）

2.3 无线供电传感器网络（ Wireless Power Transfer Sensor Network）

2.4 本章小结（Summary）

3 无线供电传感器网络数学模型及链路优化

3.1 无线供电网模型（ The Model of Wireless Power Transfer Network）

3.2 模型建立（Model Building）

3.3 基于权重偏好的蚁群算法 （Ant Colony Algorithm Based on Weight Preference ）

3.4 本章小结（Summary）

4 无线供电传感器网络功率控制策略研究

4.1 基本电路模型（The Basic Circuit Model）

4.2 电路分析（Circuit Analysis）

4.3 功率控制策略（Power Control Strategy）

4.4 三种传输模型的功率控制研究（The Power Control Strategy of The Three Transfer Model）

4.5 本章小结（Summary）

5 无线供电传感器网络仿真与实验分析

5.1基于权重偏好的蚁群算法链路优化仿真分析（the simulation analysis of Ant Colony Algorithm Based on Weight Preference ）

5.2实验平台设计（Experimental Platform Design）

5.3 节点功率控制实验分析（ The Experimental Analysis of Node Power Control）

5.4 三种基本传输模型实验分析（ The Experimental Analysis of Three Transfer Mode）

5.5 本章小结（Summary）

6 总结与展望

6.1 全文总结（Summarizes of Full Thesis）

6.2 后续研究展望（Prospects of Further Researches）

参考文献

附录

作者简历

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