大范围WRSNs的数据路由和无线充电算法

针对传统电池供电系统能量有限问题,提出一种大范围无线可充电传感器网络(WRSNs)的数据路由和无线充电算法.以无线感知识别平台为基础,利用等边三角形的强覆盖性,并综合考虑网络路由协议和无线充电器特性对节点能量的影响,提出一种基于六边形路径的动态无线充电算法(IJRC_HP).算法包括两部分:依据充电器特性设计数据路由方法,使得能量接收功率高的节点承担更多的通信任务;依据该路由的特点设计充电方案,为能耗速度快的节点分配更多的充电时间.与等边三角形算法(TRIANGLE)、GRID算法进行仿真对比,实验结果表明,IJRC_HP算法在网络寿命提升、能量均衡、充电器移动效率和节点平均充电延时等方面具有优越性.     

多障碍环境中基于虚拟势场的无线传感网有向充电器部署方法

无线可充电传感网中,传统的充电器部署方式通常不考虑网络中存在障碍物的场景,且已有的工作中主要考虑的是全向无线充电器的部署问题,因此具有相当大的局限性。为此,本文研究了多障碍环境中的有向充电器部署问题,将节点分布视为若干个正态分布模型,并采用了EM算法求解GMM高斯混合模型,从而将整个传感网区域划分为多个子区域,在每个子区域中使用虚拟势场方法,同时引入虚拟引力与斥力使得有向充电器在这两种虚拟力作用下能够灵活规避障碍物区域的同时调整到充电效用较高的位置。仿真结果表明,与现有的有向充电器部署算法及其他随机算法相比,本充电器部署策略能够显著提高传感器节点的有效覆盖率与充电效用。     

基于时空协作的多移动充电器充电路径规划的研究

为解决大型无线可充电传感器网络中节点的实时充电问题,对具有多个移动充电器的网络进行了研究。在将网络公平划分为多个簇的基础上提出一种基于时空协作的多移动充电器实时充电算法STMA：通过联合考虑节点的空间位置和截止充电时间要求规划移动充电器的充电路径,在充电过程中及时获取最新的充电请求,并按照充电请求的紧急程度及时调整充电路径。仿真结果表明,采用STMA算法比单纯考虑时空要求的算法的能量利用率提高约14%,节点存活率提高约9%,更加适应节点的实时充电需求。     

一种高效低能耗移动数据采集与无线充电策略

在无线可充电传感器网络（wireless rechargeable sensor network,简称WRSN）中,所面临的一项重要挑战是如何在高效收集传感器节点数据的同时,降低网络整体能量消耗.大多数现有数据收集策略或是不能适应大规模的充电传感器网络,或是没有充分考虑到传感器节点能量补充的问题,这将严重降低网络的通信量和生命周期.为此,针对WRSN中数据收集和网络能耗的问题,提出使用数据收集小车（data collection vehicle,简称DCV）和无线充电小车（wireless charging vehicle,简称WCV）分别负责数据收集和节点充电,从而在优化数据收集的同时,保证网络的持续性.首先,为了提高数据收集和充电效率,根据传感器节点的邻域相似度以及节点之间的距离,将网络自适应划分为多个子区域;随后,根据传感器节点k跳路由之内的电池能量和节点社交性,选择各个区域内数据收集锚点;接着,通过分析传感器节点自身能量消耗与网络系统能耗之间的关系,设计了网络能耗优化函数,通过对偶分解和次梯度的方法求得优化函数的最佳节点感知率和物理链路传输率;最后,实验验证了该网络不仅能有效降低网络整体能耗,而且具有较低的节点死亡数目.     

一种WRSN中基于有向接收的高效充电算法

无线可充电传感器网络中,节点在不同方向的能量接收能力是不同的。现有的充电策略很少考虑节点能量接收能力的各向异性。本文研究基于接收能力各向异性的移动充电策略,提出一种基于有向能量接收的高效充电算法(CderM)。先建立节点充电区域模型衡量节点的异向能量接收能力,再根据节点部署情况,优化充电部署,增加MC的充电覆盖区域,增大网络充电覆盖率。最后,采用启发式策略优化节点能量接收方向,最大化节点的有向能量接收能力,实现高效率充电。仿真结果表明CderM算法增大了网络充电覆盖率,提高了能量补充效率。     

一对多充电方式下WRSN移动充电器驻点选择策略

能量问题是约束无线传感器网络发展的一大瓶颈,借助磁耦合谐振充电技术,可实现单个充电装置同时对多个传感器节点进行能量补充,从而提高网络充电效率,降低充电成本。现有的单对多充电方案往往忽略了磁耦合谐振充电技术的能量分配,对于移动充电器的停靠位置(即驻点)没有考虑发射线圈和接收线圈的互感对能量传输效率的影响。线圈之间的距离是影 响互感的关键物理因素。本文提出一种在线能量补充策略(OMRN)。该策略基于互感模型和连续平面上的重心法选址问题,根据线圈之间的距离找出移动充电器的最优驻点,让多个节点能量接收达到均衡,从而减少总充电时长,使充电效率最大化。     

不可靠通信环境下无线传感器网络最小能耗广播算法

在实际的通信环境中,由于噪声、报文冲突、信号衰减等因素的影响,无线传感器网络节点间信息交换往往是不可靠的.广播是无线传感器网络中广泛使用的操作,如何在不可靠通信环境下实现能量高效的广播算法,对提高整个无线传感器网络的性能具有重要的理论和应用价值.研究了不可靠通信环境下的无线传感器网络最小能耗广播问题,首先,分析了相邻节点之间最小能耗通信模型,并给出了保证节点接收概率不低于P^*的最优发送半径;然后,讨论了多跳转发策略与节点位置信息之间的关系.在此基础上,提出了一种基于PSO的最小生成树广播算法,通过优化各节点的发送半径,在保证所有节点都能以不低于P^*的概率接收到广播数据包的前提下,实现广播操作的总能耗最小.实验结果表明：所提出的广播算法不仅可使每一个节点的接收概率不小于P^*,而且广播总能耗比改进后的BIP算法要小,具有较好的性能.     

三维无线传感器网络寿命和动态路由算法

无线传感器网络(WSNs)寿命受到电池能量的制约,利用无线能量传输技术对传感器节点进行充电,可以解决无线传感器网络的能量问题.以三维无线传感器网络为研究对象,证明三维最短Hamilton回路为无线充电设备遍历网络中节点的最优路径,提出了网络的连续时变模型,并简化复杂度为多项式的离散T+1阶段线性规划模型.仿真结果表明:通过运算离散T+1阶段线性规划模型能够使无线传感器网络持续运行.     

无线可充电传感器网络能耗分级充电策略

在传统的无线传感器网络中,有限的电池能量会限制传感器网络的寿命,而在无线可充电传感器网络中,能量可以通过无线方式给传感器充电,延长传感器网络的寿命,利用充电小车等移动设备对无线传感器网络进行能量补充时,在一个充电周期内减小充电小车的移动总路径,可以有效减少经济成本,基于无线可充电传感网中各节点的能耗差异性,结合蚁群算法和对旅行商(TSP)问题的研究,提出了基于能耗分级的非固定周期和固定周期两种小车充电策略。仿真结果表明,与传统的充电策略相比,两种新策略均能有效减少充电小车的移动总路径。     

一种移动充电器对无线传感器节点充电的调度模型

无线传感器节点能量有限的问题始终是其稳定运行的瓶颈.为保证节点具有稳定的能量供应,本文利用无线充电的方式为节点补充能量.首先,采用线性规划的方法对无线充电车的调度问题作出定义,同时综合考虑节点充电过程中的时间和空间因素,使用改进的引力搜索算法按需规划节点被服务的顺序.根据对节点被服务顺序的规划,使用单辆无线充电车携带多个可分离充电装置在多位置上为节点并发服务.最后,对所提出的算法进行仿真.仿真结果表明,所提出的算法在充电延迟方面明显优于现有的FCFS算法、NJNP算法以及经典的引力搜索算法.     

TADP: Enabling temporal and distantial priority scheduling for on-demand charging architecture in wireless rechargeable sensor Networks

Recently, adopting mobile energy chargers to replenish the energy supply of sensor nodes in wireless sensor networks has gained increasing attentions from the research community. The utilization of the mobile energy chargers provides a more reliable energy supply than systems harvesting dynamic energy from the surrounding environment. Wireless power transfer technique provides a new alternative for solving the limited power capacity problem for so many popular mobile wireless devices, and makes wireless rechargeable sensor networks (WRSNs) promising. However, mainly due to the underestimate of the unbalanced influences of spatial and temporal constraints posed by charging requests, traditional scheduling strategies for on-demand WRSNs architecture achieve rather low charging request throughput or successful rate, posing as a major bottleneck for further improvements. In this paper, we propose a TemporAl & Distantial Priority charging scheduling algorithm (TADP), which takes both the distance between nodes and the mobile charger and the arrival time of charging requests into consideration, and quantizes these two factors step by step. TADP forms a mixed priority queue which directs mobile charger to replenish the energy for nodes. At last extensive simulations are conducted to demonstrate the advantages of TADP. Simulation results reveal that TADP can achieve better scheduling performance in guaranteeing the scheduling success of the high-priority tasks and improving stability of the system.     

为移动体域网供能的射频能量源布置方法

得益于无线能量传输技术的突破,体域网节点可以捕获射频能量源的无线电波能量进行充电,从而持续不间断地工作.对能量源数量和位置进行合理规划可以有效提高节点的能量捕获功率,降低部署成本.现有工作大多考虑节点静止情况下的能量源部署问题或通过概率统计模型转化为节点静止的情况,因此具有明显的局限性.考虑体域网应用背景下,携带可穿戴节点的用户具有特定停留-移动模式,基于该模型归纳了满足节点能量不中断概率要求的能量源优化布置问题,并将该问题的限制条件分解,转化为一个等价问题.分别基于贪婪算法和分治-粒子群算法设计了能量源优化布置算法.通过多组仿真实验,在不同参数下将两种算法与现有路径覆盖算法的性能进行了对比.实现结果表明,在满足节点能量不中断概率要求的前提下,分治-粒子群算法相比贪婪算法和路径覆盖算法更能节省能量源部署成本.     

能量受限的单移动设备无线充电调度算法

基于磁耦合谐振的多节点充电技术为解决无线传感网络的健壮性问题提供了潜在的解决方法。为了减少充电设备的移动能耗,保证充电规划的可调度性,结合磁耦合谐振的充电效率,采用蜂窝网状结构将网络分割成若干充电区域,提出了基于移动充电设备的无线传感器网络充电调度算法。由于实际的移动设备能量通常有限,在每个充电周期内综合考虑移动设备能量、节点剩余能量等,提出了自适应动态算法以自动选择k个充电区域。规划充电路径时,采用实时性较好的弹性网络算法来满足网络节点的充电需求。仿真结果表明,充电设备能量的大小会直接影响网络的总能量与最小剩余能量,算法在设备能量有限时能够最大化网络的最小能量,延长网络的生命周期。     

无线传感器网络节点基于遗传算法的充电路径规划

无线传感器网络应用越来越广泛,为了解决传感器节点的能量问题,将无线充电技术应用到传感器网络中。使用无人机为传感器节点进行无线充电,但是无人机的电池容量有限,合理的规划能够让无人机以最小的充电代价获得最大的网络效用。以最小化无人机能耗为优化目标,对无人机能量消耗进行分析,将优化目标简化成最小化路径距离,并使用遗传算法对无人机规划路径。针对遗传算法不适合解决目标点多的问题,提出基于半径的聚类算法,将节点分簇,求出每个簇的充电停留点,减少目标点数目。仿真结果表明,所设计算法得到的充电路径缩短了33.52%,无人机的能量消耗降低了35.29%。     

异构无线传感器网络中异构节点的部署与优化

在无线传感器网络中适当地部署少量的异构传感器节点能够有效地延长网络寿命,提高网络的可靠性.本文主要研究无线传感器网络中异构节点的部署问题,提出了基于选址问题的异构节点部署算法,以优化无线传感器网络中异构节点的数量和位置.与其它算法相比,该算法对无线传感器网络的拓扑结构没有特定的要求,可以支持随机部署或人工部署的各种传感器网络,最后还给出了该算法的仿真测试结果.     

分布式布谷鸟算法在无线传感器网络布局优化中的应用

在无线传感器网络中,传感器节点的部署通常具有随机性。随机布局的无线传感器网络存在着节点利用率低,传感器网络覆盖率小等问题。为了解决无线传感器布局问题,提出了基于分布式布谷鸟算法的无线传感器网络覆盖优化算法,利用布谷鸟算法对传感器节点的布局进行优化,同时采用分布式计算提高算法的计算速度。实验表明,该算法对无线传感器网络的布局具有很好的优化效果,而且比布谷鸟算法具有更快的计算速度。     

Collaborative Mobile Charging and Coverage

Wireless energy charging using mobile vehicles has been a viable research topic recently in the area of wireless networks and mobile computing. This paper gives a short survey of recent research conducted in our research group in the area of collaborative mobile charging. In collaborative mobile charging, multiple mobile chargers work together to accomplish a given set of ob jectives. These ob jectives include charging sensors at different frequencies with a minimum number of mobile chargers and reaching the farthest sensor for a given set of mobile chargers, subject to various constraints, including speed and energy limits of mobile chargers. Through the process of problem formulation, solution construction, and future work extension for problems related to collaborative mobile charging and coverage, we present three principles for good practice in conducting research. These principles can potentially be used for assisting graduate students in selecting a research problem for a term project, which can eventually be expanded to a thesis/dissertation topic.     

无线可充电传感器网络中能量饥饿避免的移动充电

无线可充电传感器网络（wireless rechargeable sensor networks,简称WRSN）中,如何调度移动充电器（mobile charger,简称MC）,在充电过程中及时为传感器节点补充能量,尽量避免节点能量饥饿的同时降低MC充电代价及节点平均充电延迟,成为无线充电问题的研究挑战.大多数现有WRSN充电策略或是不能适应实际环境中传感器节点能量消耗的动态性和多样性,或是没有充分考虑节点及时充电问题和MC对充电响应的公平性,导致节点由于能量饥饿失效和充电策略性能下降.当网络中请求充电的节点数量较多时,节点能量饥饿现象尤为明显.为此,研究了WRSN中移动充电的能量饥饿问题,提出了能量饥饿避免的在线充电策略（energy starvation avoidance onlinecharging scheme,简称ESAOC）.首先,根据各节点能量消耗的历史统计和实时值计算当前能量消耗率.接着,在调度MC时,根据当前能量消耗率计算各请求充电节点的最大充电容忍延迟和当某节点被选为下一充电节点时各节点的最短充电等待时间,通过比较这两个值,始终选择使其他待充电节点饥饿数量最少的节点作为充电候选节点以尽量避免节点陷入能量饥饿.仿真分析表明：与现有几种在线充电策略相比,ESAOC不仅能有效解决节点的能量饥饿问题,同时具有较低的充电延迟和充电代价.