能量捕获无线感知网络低时延数据收集策略

摘要

能量捕获无线传感器网络(Energy-Harvesting Wireless Sensor Network，EH-WSN)的出现，极大地缓解了无线传感器网络生存时间受限的问题。目前，EH-WSN节点所捕获的能量与维持其正常工作的能耗之间存在差较大缺口。当节点能量不足时，节点就会停止数据转发工作，进行能量捕获，导致数据收集时延的增大。因此，为能量捕获无线传感器网络设计一个低时延的数据收集策略是非常重要的。本文主要研究射频能量捕获无线传感器网络的数据收集策略，通过使节点的数据负载适应于节点的剩余能量和能量捕获功率的方式，降低数据收集时延。本文主要工作和创新如下:
　　1.在能量捕获无线传感器网络中，在使用树状拓扑来收集网络中节点的数据时，一些节点因能量不足而需要长时间捕获能量，从而严重影响数据收集时延。为此，本文定义了“能量瓶颈节点”，并用之于创建数据收集树。应用节点之间通信的能量消耗模型，求出了节点在一个数据收集周期的能量消耗。根据节点的剩余能量，能量捕获功率，推导出节点所需的能量捕获时长，形成网络充电时长最小化问题。
　　2.提出射频能量捕获网络的低时延数据收集策略，数据收集树构建算法。算法采用能够反映节点的能量捕获功率、能量捕获时长以及节点的剩余能量的链路权值，让权值小的链路优先于权值大的链路加入到数据收集树，从而构建出低时延数据收集树。
　　3.用仿真实现本文策略并与已有的策略进行比较，仿真结果表明，随着网络规模的变大，在数据收集时延以及能耗方面，本文提出的策略延优于已有的策略，并且分析了节点个数变化时，射频源发送功率变化时，数据率变化时，以及权值参数不同时，数据收集时延以及能耗的变化。并且将本文提出的低时延数据收集策略应用在链路不可靠的场景下，并且结合链路的包传递成功率对链路权值进行改进，通过仿真分析了不同参数变化对吞吐率的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作和贡献

1．4 本文组织结构

第2章 相关知识介绍

2．1 能量捕获无线传感器网络概述

2．1．1 能量捕获无线传感器网络的概念

2．1．2 能量捕获无线传感器节点结构

2．1．3 不同种类的能量捕获无线传感器网络

2．1．4 能量捕获无线传感器网络通信协议

2．2 射频能量捕获无线传感器在现实场景中面临的挑战

2．3 无线传感器网络中的数据收集方案

2．3．1 数据收集树协议

2．3．2 移动数据收集方案

2．3．3 其他数据收集方案

2．4 本章小结

第3章 射频能量捕获无线感知网络低时延数据收集策略

3．1 研究动机

3．2 节点的能量捕获模型和能耗模型

3．2．1 能量捕获模型

3．2．2 能耗模型

3．3 能量瓶颈节点能量捕获时长最小化问题

3．3．1 节点能耗

3．3．2 节点的能量捕获时长

3．3．3 瓶颈节点能量捕获时长最小化问题

3．4 构建低时延数据收集树

3．5 数据收集方案

3．6 仿真分析

3．7 本章小结

第4章 链路不可靠情况下低时延数据收集策略的性能分析

4．1 无线传感器网络链路的不可靠性

4．2 信道及误码率

4．3 数据收集策略

4．3．1 节点能耗

4．3．2 节点的能量捕获时长

4．3．3 构建数据收集树

4．3．4 数据收集方案

4．4 仿真分析

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果