【摘 要】
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在传统的无线传感网络中,节点由电池供电,能量十分有限。通常布置在恶劣环境中的节点,一旦电池容量耗尽,一般很难甚至无法进行电池的充电或者更换。而能量捕获作为一项新兴的
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在传统的无线传感网络中,节点由电池供电,能量十分有限。通常布置在恶劣环境中的节点,一旦电池容量耗尽,一般很难甚至无法进行电池的充电或者更换。而能量捕获作为一项新兴的技术,为传统的无线传感网络带来了福音。节点可以通过捕获环境的能量,如太阳能、动能等,来进行自身电池的续航,以补充节点的能量消耗。其中,通过捕获空间中射频信号能量来进行电池充电,是非常有潜力的一种能量捕获方案。本文考虑由射频能量源(Energy source,ESs)来供电的射频能量捕获无线传感网。射频能量捕获传感网的所具有的特性,在下行链路中,节点可以收集射频能量供应源的能量信号以供自身工作。在上行链路的信息传输中,网关发送的数据信号。显然,节点的能量捕获功率越大,节点有更多的能量来进行感知、发送数据等操作。影响节点能量捕获功率的因素很多,比如能量源个数、能量源的布置位置、射频源能量发送功率、所采用的发送方案等。其中,能量源的位置部署会很大程度上影响各个节点的捕获效率,这是由于无线信号随着传输距离的增加而急剧地衰弱,节点和能量源的距离很大地影响着网络中节点的能量捕获速率。另外,能量源的发送功率优化也是一个很重要的方面,因为在同样满足节点能量捕获功率需求的前提下,不合理的发送功率设置会造成较大的总发送功率,从而造成较大的能耗。因此,本论文研究能量源候选布置位置给定的情况下能量源的布置问题。现存的研究工作大部分考虑的是没有给定候选位置的场景,然而,在实际应用场景中,网络区域往往存在很多不可布置能量源的区域,能量源只能在一些合理的候选位置中布置。本文考虑三种较新的给定候选布置位置的能量源布置问题。本文的主要研究内容如下:(1)已知节点位置、ESs的个数以及ESs的候选布置位置,研究设计最大化节点总能量捕获功率的ES布置方案。首先将该问题建模为0-1整数规划问题,然后分别提出了一个具有较低复杂度的近似比为(1-1/e)的近似算法和一个能达到更大总能量捕获功率的基于遗传算法的布置算法。(2)已知节点位置、ESs的个数以及ESs的候选布置位置,研究设计了最小化ESs总供能的ES布置与发送功率设置方案。首先将该问题建模为混合整数规划问题,然后分别提出了一个具有较低复杂度的启发式算法和一个能达到更小总供能的基于遗传算法的部署算法。(3)已知节点位置以及ESs的候选布置位置,研究设计了在最小化网络总功耗的前提下进一步最小化ESs个数方案。将该问题建模为优化问题,以深入理解该问题的本质。接着提出了一种低复杂度的基于贪心算法的部署算法和一种复杂度略高但部署ESs个数更少的基于遗传算法的部署算法。
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