基于能量传输的无线传感器网络资源分配策略研究

摘要

随着对无线通信需求的不断增长，近年来无线通信领域发展尤为迅速，已成为通信领域中最重要的热门研究点之一。无线通信与有线通信相比能够适应一些苛刻或是特殊的应用环境，例如将无线传感器节点运用于高铁铁轨检测环境中。但这些无线传感器节点通常由电池供电，无法经常更换电池。因此如何寻找新的供电技术，并且引入新技术后节点之间如何有效的协作使得整个网络资源得到优化，是一个极为重要的研究方向。　　针对上述问题，本文将无线能量传输技术引入到无线传感器网络中，为无线传感器节点提供固定能量源。并在不同传输模式下，提出相应的传输方案，一定程度上提高整个网络的吞吐量或者能效。主要工作和贡献如下：　　（1）在直接传输模式下，提出利用凸优化理论联合优化传输时间和信息传输功率达到基于能量传输的无线传感器网络吞吐量最大化方案。首先结合电池储能功能构建无线能量传输模型，然后根据相关约束推导出关于传输时间和信息传输功率的吞吐量函数，通过相关变换得到能够用凸优化问题解决的目标函数，最后利用拉格朗日乘子法得到满足要求的最佳传输时间和信息传输功率。该方案由于考虑了节点传输信息时信道的最小信噪比约束以及传感器节点电池的储能功能，更贴近实际使用场景。理论分析和仿真结果表明，在满足基本传输条件时，该方案在网络吞吐量最大化方面优于只考虑优化传输时间的方案，无线传感器网络吞吐量得到相应的提高。　　（2）在引入中继的传输模式下，研究了基于SWPIT（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer）技术的双向传输中继系统。结合数字网络编码技术，提出了基于改进的NC（Network Coding）协作方式的中继双向携能通信系统PSINCR （Power Splitting-based Improved Network Coding Relaying）。并且将本文提出的基于改进的PSINCR方案与传统的DF中继转发模式PSR（Power Splitting-based Relaying）、中继网络编码双向传输模式PSNCR（Power Splitting-based Network Coding Relaying）通过基于遗传算法的优化算法进行优化分析。经分析表明，本文提出的方案在基站传输能量较小的情况下，能效高于其他两个方案，并且本文提出方案的网络吞吐量也高于其他两个方案。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1无线能量传输技术

1.2.2基于无线能量传输的通信技术

1.3论文的主要内容和章节安排

2 无线能量传输技术及资源优化算法理论概述

2.1无线能量传输技术

2.1.1电磁感应式无线能量传输技术

2.1.2磁共振耦合式无线能量传输技术

2.1.3基于微波无线能量传输技术

2.2 凸优化理论

2.2.1凸函数

2.2.2凸优化问题

2.2.3 Lagrange函数

2.2.4 KKT条件

2.3 遗传算法

2.4本章小结

3 基于能量传输的无线传感器网络吞吐量优化研究

3.1 引言

3.2 系统模型

3.3基于凸优化理论的资源分配策略

3.3.1吞吐量最大化的问题构建

3.3.2分步优化机制

3.4 仿真结果与分析

3.5本章小结

4 基于携能通信的中继无线传感器网络能效优化研究

4.1引言

4.2系统模型

4.2.1 PSR协议

4.2.2 PSNCR协议

4.2.3改进的PSINCR协议

4.3基于携能通信的中继传输系统能效分析

4.3.1 PSR协议能效分析

4.3.2 PSNCR协议能效分析

4.3.3 PSNICR协议能效分析

4.4优化分析

4.5仿真分析

4.6本章小结

5 总结与展望

5.1 论文总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果