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可充电无线传感网络的节点冗余部署若干优化问题研究

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可充电无线传感网络的节点冗余部署若干优化问题研究

作者：史文武杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无线能量传输(WET)通过电磁波为散落的传感器节点持续供电,从而使无线传感器网络(WSN)的使用寿命得到延长。但是,提供的能量可能仍然无法满足传感器节点的能量需求。这个问题可以通过部署冗余传感器节点来缓解。同一监测区域内可部署多... 详细信息

无线能量传输(WET)通过电磁波为散落的传感器节点持续供电,从而使无线传感器网络(WSN)的使用寿命得到延长。但是,提供的能量可能仍然无法满足传感器节点的能量需求。这个问题可以通过部署冗余传感器节点来缓解。同一监测区域内可部署多个传感器节点,它们同时接收能量以增加收集的总能量,并执行休眠/唤醒调度减少每个节点的能量消耗。针对不同场景,本文研究了冗余部署模型在无线传感网络(WSN)中应用的问题。(1)为使大型WET系统可永久运行,基于冗余部署策略,提出一种联合部署充电基站和传感器的部署方案。其中充电基站通过将射频能量波束成形,向附近的待监测区域充电,同一监测区域内的多个传感器节点同时接收能量并执行休眠/唤醒调度策略。据此研究了在保证网络持久运行的约束条件下,使整个网络部署成本最小化的问题。为解决此问题,提出基站最佳覆盖范围搜索算法解耦了传感器部署和基站部署问题,并采用迭代思想求解基站的部署位置。实验表明,所提算法比基于贪心的算法成本低10%。(2)随着冗余部署模型的加入,由于节点间的遮蔽效应,单个监测点内的多个传感器节点所接收的总能量是非线性的,这给移动充电带来了新的挑战。据此,考虑了如何在严格约束移动充电器的能量上限的情况下,最大化非线性充电模型中传感器接收总能量的问题。我们分三个步骤解决此问题,首先将连续空间划分为有限个待选充电点,然后在每个待选点上运用主要覆盖集算法提取出离散的待选充电角度,最后将时间划分为固定的时间片。通过上述离散化,将初始问题转化为了具有路由限制和能量限制的最大化次模函数问题,根据次模性,提出一种具有较高充电效用的近似算法。仿真实验表明,所提算法比最大充电效用优先算法(MUP)的充电效率高30%左右。(3)覆盖质量也是WSN中的重要性能指标,现有工作多考虑空间上覆盖范围而忽略时间上持续运作的问题。针对于此,我们基于冗余部署模型和休眠/唤醒机制,提出了空间布尔传感模型和时间概率传感模型结合的覆盖模型,考虑了给定传感器数量限制的条件下,最大化时空覆盖质量的问题。随后,证明了所提问题的目标函数具有次模性,并根据次模性提出近似算法。仿真实验验证了所提算法能有效地提高网络的时空覆盖质量。

关键词：无线可充电传感网络无线能量传输冗余部署网络寿命部署成本覆盖质量

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无线传感网络的移动充电调度优化方法

无线传感网络的移动充电调度优化方法

作者：陈路杭州电子科技大学

学位级别：硕士

传统的传感器节点配备电池维持工作,由于电池容量有限,导致整个网络的寿命也是有限的,现今,可以利用无线充电技术延长网络寿命。本文将无线充电器放置在移动小车上,组合为移动无线充电小车,调度移动无线充电小车对网络中的节点充电。无... 详细信息

传统的传感器节点配备电池维持工作,由于电池容量有限,导致整个网络的寿命也是有限的,现今,可以利用无线充电技术延长网络寿命。本文将无线充电器放置在移动小车上,组合为移动无线充电小车,调度移动无线充电小车对网络中的节点充电。无线充电模型可以分为单节点模型和多节点模型,多节点模型根据其覆盖范围又可以分为全向无线充电模型和定向无线充电模型。本文针对全向无线充电模型和定向无线充电模型,分别提出了移动调度优化方法。本文主要研究工作如下:（1）研究了基于全向无线充电模型的移动充电调度优化方法,优化目标是最大化网络寿命。文中解决了两个问题,第一个问题是确定充电小车的停止点,该问题是一个NP难问题,第二个是确定充电小车在每个停止点的充电时长。为了解决上述问题,本文提出了两个算法。第一个是停止点选择算法,该算法首先根据全向无线充电模型的覆盖范围确定了充电小车的停止区域,然后以最大化节点接收功率之和为目标确定了每个停止区域内的最佳停止点。第二个是多轮调度算法,该算法基于二分搜索的思想确定充电小车在每个停止点能够停留的最长时间,使得节点能够接收到最多的能量,达到尽可能延长网络寿命的目的。（2）首次研究了基于定向无线充电模型的移动充电调度优化方法,优化目标是在确保网络无限运行的前提下最大化充电小车能量利用率。为了解决该优化问题,本文首先提出了定向充电覆盖效用定义,并将二维平面内充电小车停止点及其方向选择转化为同时最少化停止次数、最大化覆盖效用之和的双目标优化问题。在证明了该优化问题为NP难问题后,提出了近似算法。然后,给出了充电周期的计算方法,并证明了周期内没有节点会耗尽能量。接着,通过理论分析给出了单个定向充电小车能够服务的网络规模。最后,通过仿真实验证明了算法的有效性。

关键词：无线可充电传感网络移动小车全向无线充电模型定向无线充电模型网络寿命

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无线传感网络的移动充电优化方法研究

无线传感网络的移动充电优化方法研究

作者：章豪杭州电子科技大学

学位级别：硕士

传统无线传感节点中常见的工作方式是以节点配备电池来维持工作,而局限于电池容量和电池输出功率,传感器网络寿命有限,并且传统充电方式充电效率较低,随着研究发展进步,现有其他无线充电技术能够更合理有效的提高充电效率。当前无线传... 详细信息

传统无线传感节点中常见的工作方式是以节点配备电池来维持工作,而局限于电池容量和电池输出功率,传感器网络寿命有限,并且传统充电方式充电效率较低,随着研究发展进步,现有其他无线充电技术能够更合理有效的提高充电效率。当前无线传感网络中的充电模型可根据充电目标个数分为单节点充电模型和多节点充电模型,其中多节点模型根据其覆盖范围又可以分为全向无线充电模型和定向无线充电模型,以及采用太阳能电池板和充电小车两种充电方式组合的混合充电。本文着重研究基于定向无线充电模型和混合充电模型,分别提出对应移动调度优化方法。本文主要研究工作如下:(1)研究了基于单对多定向无线充电模型的移动充电优化调度策略,其优化目标是在维持无线传感网络持续运行的前提下最大化无线传感网络中传感器的累计充电增益。为了解决和优化该问题,本文首先定义了定向无线充电的传感器累计充电增益,并在二维的平面内将无线充电小车的停靠点和充电方向选择问题转化为最小化停靠点数量和最大化累计充电增益与充电能量消耗总和比值的双目标优化问题。其次本文证明了该优化问题为NP难问题,并提出了对应的近似算法。然后,理论分析得出单辆无线充电小车对应服务的网络规模。最后,通过仿真模拟实验证明提出算法的有效性。(2)研究了基于混合充电模型的移动无线充电调度优化方案,优化目标是最大化无线充电小车的单位行程充电量。本文解决了两个问题。第一个问题是太阳能电池板的放置问题,并证明该问题是一个NP难问题,第二个问题是确定充电小车行驶路径。为了解决所述问题,本文提出了两个对应算法。第一个算法是太阳能电池板位置选择算法,该算法以网络中任意无线传感节点为太阳能电池板的备选位置,然后以最小化网络路由消耗与放置太阳能电池板的成本之和为目标确定太阳能电池板放置位置和数量。第二个是综合权重比较算法,将无线传感节点的剩余电量和无线充电小车距离转化为综合权重并排列充电队列,对无线充电小车移动充电进行调度,达到最大化无线充电小车单位行程充电量的目的。

关键词：无线可充电传感网络移动充电小车定向无线充电混合充电累计充电增益单位行程充电量

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无线传感网络联合充电调度及统计分析

通信电源技术 2019年第11期36卷 97-98页

作者：郑鑫程宗毛杭州电子科技大学理学院

在新型无线充电背景下,提出了一种联合充电模式,将二维区域划分为若干个圆形区域,在更为一般的假设条件下研究充电问题,建立数学模型,优化阅读器的充电路线调度,最大化充电量,并通过仿真实验验证了这种联合充电的合理性和有效性。

关键词：无线可充电传感网络充电路线调度充电量

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WRSN中多MC协同的一对多能量补充策略

传感技术学报 2022年第10期35卷 1418-1426页

作者：唐拓冯勇李英娜钱谦付晓东昆明理工大学云南省计算机技术应用重点实验室云南昆明650500

无线可充电传感网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSN)由于受到传感器有限的电池容量限制,所面临的一项重要挑战是如何调度移动充电器MC(Mobile Charger)及时为传感器进行充电,避免传感器由于能量过低而失效。然而现有的充... 详细信息

无线可充电传感网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSN)由于受到传感器有限的电池容量限制,所面临的一项重要挑战是如何调度移动充电器MC(Mobile Charger)及时为传感器进行充电,避免传感器由于能量过低而失效。然而现有的充电策略中单MC充电策略难以满足大规模WRSNs的电量需求,多MC充电策略常忽略充电的均衡性。针对WRSN中多MC协同充电问题,提出一种多MC协同的一对多能量补充策略(MTORN)。首先通过相交圆算法将网络中的传感器节点划分为若干个节点簇,MC根据节点簇的平均剩余能量以及距离划分簇的优先级,每个MC前往不同的节点簇进行一对多充电从而提高充电效率。仿真结果表明,与现有的算法相比,MTORN能够有效降低网络中传感器节点失效数量和MC的移动成本,延长网络生存时间。

关键词：无线可充电传感网络多MC协同充电一对多充电充电序列规划

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基于策略梯度的WRSN公平能量补充方案

现代电子技术 2024年第1期47卷 30-35页

作者：叶健锋昆明理工大学云南昆明650500

无线可充电传感网络(WRSN)中节点能耗是动态变化的,在调度移动充电器(MC)为传感器充电时,估算节点的实时能耗来计算节点的剩余生存时间十分重要。针对WRSN的问题,提出一种基于策略梯度的公平能量补充策略(PFSS),利用过往的节点能量记录... 详细信息

无线可充电传感网络(WRSN)中节点能耗是动态变化的,在调度移动充电器(MC)为传感器充电时,估算节点的实时能耗来计算节点的剩余生存时间十分重要。针对WRSN的问题,提出一种基于策略梯度的公平能量补充策略(PFSS),利用过往的节点能量记录对节点实时能耗进行估算,采用seq2seq结合Attention的网络结构求解待充电序列,为节点充电获得一个充电权重来评估该次充电的质量,其由MC到节点间的距离、节点等待时间和节点剩余生存时间组成,利用策略梯度对网络进行训练,从而求得具有最优充电质量的充电序列近似解,仿真结果表明,与现有的算法相比,PFSS能够有效降低网络中传感器节点失效数量、MC的移动成本和充电延迟。

关键词：无线可充电传感网络充电调度响应公平注意力机制 seq2seq 强化学习策略梯度失效率

基于射频能量收集的结构健康监测系统设计与研究

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基于射频能量收集的结构健康监测系统设计与研究

作者：陈敏浙江大学

学位级别：硕士

结构健康监测能合理规避结构损伤带来的危害,对保障人民生命和财产安全至关重要。传统的结构健康监测大多依靠手动部署数据采集仪实现结构关键参数的测量,成本高且效率低。无线传感器网络可实现无线、直观的结构健康监测,但系统均采用... 详细信息

结构健康监测能合理规避结构损伤带来的危害,对保障人民生命和财产安全至关重要。传统的结构健康监测大多依靠手动部署数据采集仪实现结构关键参数的测量,成本高且效率低。无线传感器网络可实现无线、直观的结构健康监测,但系统均采用电池供电,严重限制了网络寿命和应用场景。为了解决目前结构健康监测系统中数据采集不便、节点寿命有限等问题,本文基于射频能量收集技术设计并实现了一种可充电结构健康监测系统,具体研究内容和贡献有以下三点:1.系统阐述了可充电结构健康监测系统的宏观架构及组成部分,并对核充电、低功耗通信、应变测量和云端存储等核心模块设计进行详细说明。针对实时应用场景,考虑节点低功耗与高采样频率,提出系统设计思路。并从能量获取、存储和利用三方面说明系统设计难点及解决方法,为可充电结构健康监测系统的设计与实现提供了详细的理论指导与实践方法。2.在钢结构架设过程中,监测系统需实时返回数据,节点功耗必须尽可能低以保证较高的采样频率。本文基于被动式RFID通信设计了兼容商用阅读器的超低功耗无线监测节点,并使用RFID阅读器、接入无线网络的路由器自行设计了汇聚节点和云端存储与本地展示平台,搭建了完整的超低功耗结构健康监测系统实现钢结构表面应变和温度数据的实时获取、存储及展示。3.搭建实际的测试平台对所设计系统的能量收集性能、节点能量消耗性能、传感性能和无线通信性能进行评估分析。通过实验数据分析了射频能量收集传感节点的能量收集效率提升方法,系统测试结果表明系统能可靠稳定的工作,实现了高效的射频能量收集及利用、传感数据的即时准确获取以及结构健康参数的直观显示。

关键词：射频能量收集无线可充电传感网络低功耗传感系统设计结构健康监测

基于磁耦合谐振的SENCAR节点设计及其能量分配研究

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基于磁耦合谐振的SENCAR节点设计及其能量分配研究

作者：周轶恒天津工业大学

学位级别：硕士

依托磁耦合谐振技术,实现传感器节点全天候的无线充电,构建无线可充电传感器网络;这对于解决无线传感器网络能量受限问题成为可能。在无线可充电传感器网络中,携带有限能量的可移动充电SenCar节点设计,以及SenCar节点携带能量的分配,直... 详细信息

依托磁耦合谐振技术,实现传感器节点全天候的无线充电,构建无线可充电传感器网络;这对于解决无线传感器网络能量受限问题成为可能。在无线可充电传感器网络中,携带有限能量的可移动充电SenCar节点设计,以及SenCar节点携带能量的分配,直接关系到能量传输效率及其网络稳定性。因此,合理设计SenCar节点,结合网络特点,构建能量分配模型,对于优化网络效用,延长网络生命周期具有重要的现实意义。本文在一对一充电方式的无线可充电传感网络环境下,从能量需要、磁耦合能量传输、网络数据传输等需求出发,搭建携带能量的可移动充电SenCar节点,并对SenCar节点能量进行分配,具体工作如下:基于SenCar节点功能需求,提出相关软硬件以及结构设计要求,并进行软硬件设计以及结构设计。在硬件上配置了能量监测模块,通过软件调度,实现了周期性监测自身能量信息的功能。依据无线可充电传感网络节点能量消耗不均匀的特点,结合SenCar自身的能量、SenCar节点充电功率、SenCar节点无线能量传输效率等因素,提出按需周期性充电方案-CODP。该方案通过构建多个充电区间,将网络中的待充电节点分配到各个充电区间,每个区间为1轮充电,每轮通过构造最短汉密尔顿回路,减少SenCar移动距离,缩减移动能耗。从网络剩余能量的均衡度与能量受限两个方面进行仿真测试,结果表明CODP方案能够均衡网络节点能量,提高网络效用。

关键词：无线可充电传感网络磁耦合谐振 SenCar节点能量分配

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基于无监督学习的移动充电调度优化技术研究

基于无监督学习的移动充电调度优化技术研究

作者：袁炜祺杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无线可充电传感网络(WRSN)在目标跟踪、环境监测、疫情监控等领域有着广泛的应用。由于传感器节点能量有限,因此能量约束成为了限制传感网发展的关键问题。随着能量传输技术和采集技术的发展与运用,对传感器补充能量成为可能。其中使用... 详细信息

无线可充电传感网络(WRSN)在目标跟踪、环境监测、疫情监控等领域有着广泛的应用。由于传感器节点能量有限,因此能量约束成为了限制传感网发展的关键问题。随着能量传输技术和采集技术的发展与运用,对传感器补充能量成为可能。其中使用移动充电器的移动充电技术是WRSN实现快速、大量能量补充的最佳选择之一。与此同时,机器学习技术的快速发展给各领域的研究人员带来了解决问题的新思路。本文研究如何将机器学习中的无监督学习应用于移动充电调度优化问题。(1)针对移动充电调度优化中充电延迟较大的问题,首次提出一种基于簇的自适应的充电调度优化算法(ACS)。该方法首先通过带权重的聚类算法来实现分簇。其次,将停止位置选择问题视为函数最优化问题,通过梯度下降方法来进行优化。然后,在确定了停止位置的基础上算法通过考虑传感器节点的空间约束和MC的电量约束来制定适应度函数,并通过遗传算法求解路径规划问题来确定最终充电路径。广泛的实验结果表明,ACS算法在停止位置选择步骤可以将簇平均充电延迟降低32%～66%,在路径规划步骤可以将簇平均充电延迟降低45%。(2)现有移动充电调度方案没有考虑WRSN中传感器节点间拓扑关系的差异性以及由此差异所带来的脱节传感器数量最小化问题。针对该问题提出基于图嵌入方法的脱节传感器数量最小化的充电调度优化方法。其基本思想是基于图嵌入方法来表征传感器节点间拓扑关系的差异性,并根据该差异性规划充电路径以满足脱节传感器数量最小化的优化目标。方法首先通过重力随机游走来将网络结构序列化,然后根据序列将传感器节点向量化。其次,基于向量表征量化传感器节点重要性的替换损失。最后采用基于拟阵的贪心充电调度策略产生优先任务集合。仿真结果表明相较于其他算法,所提算法可以将网络的脱节传感器数量降低51.6%～76.3%。(3)考虑能量传输过程中存在的充电排他性影响以及监测系统对区域的监测覆盖增益,研究充电排他性下覆盖增益最大化问题。针对该问题首次提出自下而上的最大化监测覆盖增益(BMCG)策略。BMCG策略主要包含两个步骤:首先利用基于层次聚类思想的排他性聚类(EC)算法,将原问题转化为从停止位置候选集中选择最优子集问题。使得求解空间从无限转化为有限。基于对该问题性质的证明,提出了一种近似算法以达到充电排他性约束下的系统监测覆盖增益最大化。仿真结果表明,BMCG方法与现有考虑充电排他性的算法相比能够提升监测覆盖增益28.8%～39.1%。

关键词：无线可充电传感网络无监督学习网络连通性充电延迟充电排他性监测覆盖增益图嵌入方法移动充电