无线传感器网络的节能优化技术研究

本文主要介绍了无线传感器网络的节点结构和能耗分析,对无线网络的主要性能指标进行评估,考虑基于参数设置的能量空洞避免策略,研究和设计具有负载均衡和能量感知的路由协议,用以优化网络节能优化技术,提高无线传感器网络的生命周期。     

无线传感器网络能量优化与建模技术综述

由于无线传感器网络的能量受限,如何优化网络能量消耗和评估网络生存周期是当前无线传感器网络研究的首要挑战。在分析无线传感器网络能量消耗特征的基础上,调研传感器网络节点和网络系统的能量优化策略;并针对能量优化存在的不足,分析近几年兴起的无线传感器网络能耗建模工作;从基于无线通信、状态转换、协议栈等方面归纳总结无线传感器网络能耗模型的建模方法;指出跨层能量优化以及软硬件综合的能耗建模技术是无线传感器网络能量研究的重点。     

无线传感器网络节能关键技术及能耗一致性研究

无线传感器网络在许多领域有重要的应用价值,而能耗问题一直是其技术发展的瓶颈。基于对无线传感器网络关键技术的研究,进一步探讨了国内外节能技术的发展,总结了现有节能技术的优势和不足,并提出了能耗一致性的问题,结合拓扑控制技术给出了合成能耗控制模型,对提高系统能量利用率有一定意义。     

无线传感器网络路由协议的节能研究与设计

由无线传感器网络的硬件结构、应用领域以及与传统网络的差异等决定了能量是无线传感器网络节点最重要的资源.为了尽量延长无线传感器网络的使用寿命,节能问题成为无线传感器网络研究中的一个关键和核心问题.介绍了无线传感器网络的体系结构,提出了现有的在无线传感器网络的无线通信方式在节约能耗方面所存在的一些问题.并根据这些问题,结合基于层次的分簇路由,提出了在路由建立和数据传输过程中如何根据整个无线传感器网络中节点的能耗分布情况,设计能量更高效的路由协议.     

传感器网络中的分布式滚动时域状态估计

利用分布式滚动时域方法对无线传感器网络的状态估计问题进行研究,给出了基于量化测量值的滚动时域估计算法。在无线传感器网络的环境下处理分布式状态估计问题时,减少通信的成本是非常重要的一个环节,需要将观测值量化后再传送。以往的滚动时域估计方法无法处理量化观测值的状态估计问题,而本文的方法考虑了最严格的观测值量化情况即传感器只发送一个比特至融合中心的状态估计问题。与其它传感器网络中的状态估计方法相比,该方法减少了每一步的计算量。仿真结果验证了该算法的有效性。     

基于压缩感知的链型无线传感器网络节能数据收集

无线传感器网络(WSNs)中节点受体积、功率、成本等限制而导致了节点能量、生命周期有限的问题.提出一种基于压缩感知算法的无线传感器网络节能优化方法,并结合无线传感器网络中的链型拓扑网络模型,给出基于压缩感知理论的节能网络数据传输模型.通过理论分析比较表明压缩感知方法在节能方面的优越性,然后在得出的网络能耗模型的基础上进行仿真.仿真结果表明:压缩感知方法有效减少了网络能耗.     

无线传感器网络中的节能策略

为了实现无线传感器网络(WSN)中能量的高效利用从而延长网络寿命,结合已有的研究,讨论了无线传感器网络中引起能量浪费的主要因为,总结并详细阐述了现有的用于无线传感器网络中的几种主要节能策略,如体眠机制、数据融合机制以及冲突避免机制等.对这些策略的分析表明使用节能机制可以有效地降低能耗.最后针对当前节能方法面临和需要解决的关键问题,提出了对节能策略研究趋势的几点设想.     

一种节能的无线传感器网络路由协议的设计与实现

在无线传感器网络的路由协议中,基于簇的路由协议在拓扑管理、能量利用、数据融合等方面具有优势。本文针对目前已有协议能量消耗大、网络寿命短等问题,提出了一种能量感知的基于分布式簇算法的无线传感器网络协议EA-HEED。此协议改进了分布式的簇头选举算法,分配时分复用时隙并在簇头节点建立一棵路由树,从而提高簇头选举效率;设计了休眠冗余节点的簇内活动节点调度算法,减少能耗;采用考虑节点能量和节点与基站距离的簇头节点组织路由树方法、最小化网络开销以及能量负载平衡方法,优化路由协议,有效延长网络寿命。仿真结果表明,与LEACH和HEED协议相比,EAHEED协议可以进一步延长网络寿命。     

基于性价比的无线传感器网络能量空洞避免研究

针对当前无线传感器网络能量空洞避免方法影响无线传感器网络中其他性能问题,提出一种基于性价比的无线传感器网络能量空洞避免方法,首先对无线传感器网络生存周期进行定义,并根据无线传感器网络发送和接收数据消耗的能量,建立传感器网络节点的能耗模型,并对模型做出假设,在此基础上,利用IFA-based节点分布策略,通过计算无线传感器网络环带的面积,确定环带中产生的信息量,通过求解环带中节点接收和传输信息的能耗,确定其与总能耗的比例,根据该比例,实现无线传感器网络中节点部署,从而完成基于性价比的无线传感器网络能耗空洞避免研究。实验结果表明,所提方法能够有效提高无线传感器网络中节点的负载均衡度,避免能量空洞的发生,为该课题向应用领域发展提供依据。     

无线传感器网络中能量有效自适应路由算法研究

针对无线传感器网络寿命最大化问题,基于无线传感器节点能耗分布特点和数据传输能耗模型,建立无线传感器网络生存周期的数学优化模型,并针对最小能耗路由的能耗不均衡问题和能量均衡路由的能耗开销问题,综合考虑网络中节点的剩余能量和节点间发送数据的能耗,提出一个适合无线多跳传感器网络的自适应路由算法。仿真结果表明,提出的路由算法能充分地利用有限的能量资源,较大地延长网络生存周期。     

网络能耗系统模型及能效算法

网络能耗问题是当前网络研究和发展的重要问题,影响着网络的设计、应用和发展.当前网络能效算法的研究大多从网络局部角度关注于网络某一(些)设施的能耗问题,缺乏从网络全局的角度研究网络整体能耗的算法和策略.文中从网络全局角度研究网络的能耗模型和算法问题.文中基于3种基本网络数据传递模式和3种基本网络能耗机制,构建了网络能耗系统优化模型,对其中5种关键系统模型给出了详细的描述.针对几个关键系统模型,文中给出了形式化描述并且提出了相应的优化的节能路由算法.文中给出的网络系统能耗优化模型有助于对于网络能耗的理解和分析,所提出的能耗优化的网络数据包路由算法可以从网络路由的角度有效降低网络能耗.     

Social Energy: Mining Energy From the Society

The inherent nature of energy, i.e., physicality, sociality and informatization, implies the inevitable and intensive interaction between energy systems and social systems. From this perspective, we define "social energy" as a complex sociotechnical system of energy systems, social systems and the derived artificial virtual systems which characterize the intense intersystem and intra-system interactions. The recent advancement in intelligent technology, including artificial intelligence and machine learning technologies, sensing and communication in Internet of Things technologies, and massive high performance computing and extreme-scale data analytics technologies, enables the possibility of substantial advancement in socio-technical system optimization, scheduling, control and management. In this paper, we provide a discussion on the nature of energy, and then propose the concept and intention of social energy systems for electrical power. A general methodology of establishing and investigating social energy is proposed, which is based on the ACP approach, i.e., "artificial systems" (A), "computational experiments" (C) and "parallel execution" (P), and parallel system methodology. A case study on the University of Denver (DU) campus grid is provided and studied to demonstrate the social energy concept. In the concluding remarks, we discuss the technical pathway, in both social and nature sciences, to social energy, and our vision on its future.      

Distributed Optimal Co-multi-microgrids Energy Management for Energy Internet

Unlike conventional power systems, the upcoming energy internet (EI) emphasizes comprehensive utilization of energy in the whole power system by coordinating multi-microgrids, which also brings new challenge for the energy management. To address this issue, this paper proposes a novel consensus-based distributed approach based on multi-agent framework to solve the energy management problem of the energy internet, which only requires local information exchange among neighboring agents. Correspondingly, two consensus algorithms are presented, one of which drives the incremental cost of each distributed generator (DG) converge to the state of the leader agent-energy router, and the other one is used to estimate the global power mismatch, which is a first-order average consensus algorithm modified by a correction term. In addition, in order to meet the supply-demand balance, an effective control strategy for the energy router is proposed to accurately calculate the power exchange between the microgrid and the main grid. Finally, simulation results within a 7-bus test system are provided to illustrate the effectiveness of the proposed approach.      

基于能量捕获和混合储能的微观网络能量最优分配算法

随着纳米技术和无线网络技术的快速发展,单个节点(设备)的微小尺寸和有限能量严重地限制了微观无线网络的应用。因此,在传统宏观网络节点储能结构单一和能量捕获技术不稳定的基础上,利用超级电容的快速充放电特性,提出了一种基于超级电容和电池的混合储能结构。在此混合储能结构的基础上,根据点对点的双工信道模型和能量传输损耗特性,建立了面向能量捕获的网络吞吐量模型和节点能量分配解析模型,并提出了相应的能量最优分配算法,实现了节点吞吐量的最大化。该算法根据节点捕获能量的时域分布,优化分配超级电容与电池的能量值;同时,采用最优传输功率与传输时间进行数据传输。实验结果表明,所提混合储能结构和能量分配算法能有效地提高节点的吞吐量。     

WSN中基于能量代价的能量优化路由算法

针对无线传感器网络路由算法中的节点能耗问题,提出了一种基于能量代价的能量优化路由算法。算法综合考虑数据传输中节点能耗的有效性和均衡性,设计了一种新的能量代价函数,实现了二者的优化匹配。传感器节点按此函数计算前向部居节点的能量代价,选择能量代价最小的节点作为下一跳。算法基于部居节点信息进行路由选择,具有较低的计算时间复杂度。最后,对路由算法的性能进行了仿真分析,并与典型的路由算法进行了对比,结果表明,本路由算法能够有效延长网络生存时间,节约并均衡节点的能量消耗。     

高能效电机扮演节能先锋

由于能源和环境问题的日显重要,对于工业领域中的主要动力设备一中小型异步电机,世界各国纷纷制定电机能效标准。一般而言,符合高效率标准的电机与普通电机相比,损耗平均下降20％左右,对于长期连续运行、负荷率较高的场合,节能效果更为明显。     

Fuzzy Adaptive Filtering-Based Energy Management for Hybrid Energy Storage System

Regarding the problem of the short driving distance of pure electric vehicles, a battery, super-capacitor, and DC/DC converter are combined to form a hybrid energy storage system (HESS). A fuzzy adaptive filtering-based energy management strategy (FAFBEMS) is proposed to allocate the required power of the vehicle. Firstly, the state of charge (SOC) of the super-capacitor is limited according to the driving/braking mode of the vehicle to ensure that it is in a suitable working state, and fuzzy rules are designed to adaptively adjust the filtering time constant, to realize reasonable power allocation. Then, the positive and negative power are determined, and the average power of driving/braking is calculated so as to limit the power amplitude to protect the battery. To verify the proposed FAFBEMS strategy for HESS, simulations are performed under the UDDS (Urban Dynamometer Driving Schedule) driving cycle. The results show that the FAFBEMS strategy can effectively reduce the current amplitude of the battery, and the final SOC of the battery and super-capacitor is optimized to varying degrees. The energy consumption is 7.8% less than that of the rule-based energy management strategy, 10.9% less than that of the fuzzy control energy management strategy, and 13.1% less than that of the filtering-based energy management strategy, which verifies the effectiveness of the FAFBEMS strategy.     

基于节点剩余能量的能量异构网络分簇算法

针对无线传感器网络中如何利用有限能量延长网络生存时间的问题,研究了分簇算法在能量异构传感器网络环境下的性能特点,设计出一种基于节点剩余能量,适用于多级能量异构网络的分簇算法。在该算法的网络簇头选举加权概率中引入了参量γ,使得在簇头选举过程中,具有较高的初始能量和剩余能量的节点在簇头选举过程中当选簇头的机会增多。避免了剩余能量较小的节点担任簇头引起节点过早死亡使网络覆盖度降低的问题,从而均衡消耗网络中的各节点能量,延长网络的生存时间。同时,引入簇头管理机制保证了网络每轮簇头数目的稳定,进而提高了网络的传输质量。实验仿真结果表明,该算法在多级能量异构网络下比LEACH、SEP和DEEC具有较长的网络生存时间和稳定的数据传输能力。     

能源互联网路由网络结构与控制机制

针对能源互联网的路由网络组网与控制策略问题,提出了全网架构下的能源路由系统结构和路由控制实现方法。首先,考虑能源互联网的广域互联、局域微网和能源终端3个层级,提出了与之对应的两级能源路由结构和网络模型,为微网内部和广域互联的能量管理提供了基础。然后,在路由运行机制上提出了模型预测控制与实时数据驱动结合的熔断策略,它既能保障能源路由指令的快速实时响应,又可获得较好的控制效果。仿真结果给出了熔断机制下的路由指令分布特征,说明了微网路由控制可有效地调整指令信息。