基于信息新鲜度的可充电无线传感器网络工作调度策略研究

作     者：魏铭 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董颖

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无线可充电传感器网络 Age of Information 随机混杂系统 李雅普诺夫优化理论 

摘      要：无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)是一种兼具了分布式信息采集、传输以及信息处理技术的网络信息系统,被称为继个人电脑、计算机网络和无线通信之后的第四次工业技术革命的里程碑。然而,受限的能量给WSN带来了网络稳定性差、使用寿命短、应用范围有限、服务质量较低等诸多问题,严重地限制了WSN的推广和使用。为了解决节点续航能力受限的问题,无线可充电传感器网络(WRSN,Wireless Rechargeable Sensor Networks)应运而生,为WSN的发展提供了无限的可能。WRSN对实时信息的需求日益增加,过时的信息会失去价值,如何保持信息的新鲜性至关重要,因此,WRSN的信息新鲜度问题成为一个亟需解决的重要问题。传统的网络性能指标,如吞吐量和延迟,已经无法有效地描述系统中信息的新鲜程度。为此,有学者提出利用信息年龄(Ao I,Age of Information)来刻画网络中信息的新鲜程度。本文基于WRSN的平均Ao I最小化问题,对WRSN中的节点工作调度策略展开了研究。本文的具体研究工作如下:首先,考虑到实际应用中WRSN对于接收信息的实时性要求和网络中节点能量的限制,构建了节点配备单个有限容量可充电电池的WRSN模型,针对节点的充电策略以及工作参数对节点平均Ao I进行了研究。采用随机混杂系统(SHS,Stochastic Hybrid Systems)方法分析了不同充电策略下的节点平均Ao I,探讨了数据包到达率、节点服务率等系统工作参数对节点的平均Ao I的影响。基于此理论研究的结果,仿真分析了电池能量阈值、充电策略与节点平均Ao I之间的关系;对比了完全充电策略和部分充电策略的Ao I性能,证明完全充电策略可以有效降低节点平均Ao I,它是单电池无线传感器网络模型中的最优充电策略。其次,由于电流具有方向性,总是从高电位流向低电位,这意味着节点处的单个可充电电池不能在充电的同时进行放电。为了保证节点在可以正常完成感知任务的同时又能够进一步降低平均Ao I,本文将单电池WRSN系统模型进行了改进,提出了一种各节点均配备双有限容量可充电电池的WRSN模型,研究了节点在双电池可轮换工作时,系统的平均Ao I最小化问题。为了解决此问题,引入了李雅普诺夫优化中的虚拟队列加惩罚漂移理论,通过将优化问题转化为每个时隙上的漂移加惩罚的形式,利用穷举搜索法在每个时隙上对优化问题进行求解,最终得到基于李雅普诺夫优化理论的节点工作调度算法。仿真验证了所提出的双有限容量可充电电池的WRSN模型以及所提出的基于李雅普诺夫优化的节点工作调度算法的有效性。