无线可充电传感器网络中充电规划研究进展

传感器网络作为当代信息获取的重要手段之一,受到各国各界的广泛关注.在传感器网络中,能量问题一直是限制其广泛应用的重要约束和挑战.由于无线充电技术和智能移动节点的发展,使得综合使用这两种技术能够彻底解决传感器网络中的能量问题.这类采用无线充电方案的传感器网络称为无线可充电传感器网络.其中,充电规划影响无线可充电传感器网络在解决能量问题时的成本和效果,因此成为研究的热点.综述了最近几年无线可充电传感器网络研究中充电规划设计,从软、硬件层面的6个不同维度对这些方案进行分类概述和对比分析,总结在不同应用场景下进行充电规划设计的一般性思路,并通过3个实例进行演示,验证该设计思路的易用性和实用性.     

无线可充电传感器网络高效在线充电算法

在无线可充电传感器网络中,传感器节点的电池寿命是决定整个传感器网络生命周期的重要因素之一,而移动充电车可有效地为传感器节点提供电量补给。在动态请求(On-Demand)的无线可充电传感器网络中,研究充电车移动耗能和充电周期内总电量两个约束条件下的充电传感器数量最大化问题。针对该问题建立非线性整型数学模型,并提出一个基于贪心策略的在线算法。该算法在每个充电周期内,充电车依次选择距离最近的传感器节点进行充电。基于聚类思想,提出另一个在线算法。该在线聚类算法利用解决旅行商问题的最小生成树算法,使得充电车在每一个类中的充电路径构成一条回路的同时,减少移动耗能。实验结果表明,在线贪心算法、在线聚类算法得出的充电传感器数量分别占充电请求总数的67%与76%。     

一种基于谐振中继的可充电传感器网络移动能量补充方法

多跳无线能量传输技术已经成为延长无线传感器网络(WSN)寿命的有效手段。提出一种基于谐振中继的可充电传感器网络移动能量补充方法(TMWRN)。首先在整个网络中根据三角形外接圆性质部署谐振中继节点,然后,移动充电装置(MC)根据短距离优先的在线充电方式规划充电路径,并利用谐振中继器给多个传感器节点以多跳方式补充能量。最后模拟实验表明,TMWRN可以有效地降低MC的充电成本和节点失效率,延长网络寿命。     

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。     

无线可充电传感网的高能效移动充电策略

采用无线能量传输技术的移动充电在无线可充电传感网的能量供给中扮演着重要角色。现有相关研究通常忽略了节点在等待充电时的能耗,简化对节点剩余能量阈值的假设,容易使节点耗尽能量而暂停工作。针对这一问题,文中提出一种新的移动充电策略,建立一种节点剩余能量预测模型以匹配节点的充电需求,分别构建了带权路径最小化以及基于带权路径的能量分配最大化问题,并分别采用遗传算法与线性规划对两者进行求解。通过仿真对所提移动充电策略进行了评估并与现有研究进行了对比。结果显示,所提移动充电策略有更高的移动充电能效,可维持网络长期正常工作。     

无线可充电传感器网络混合移动充电调度研究

能量约束是无线传感器网络应用的重要限制.无线能量传输技术因为在效率和可靠性方面的突破,已成为无线传感器网络极具潜力的能量补给方案.目前已有的移动无线充电调度方案可分为周期性调度和在线调度方案,虽然各种方案有不同的适用场景,但是难以同时兼顾周期性调度的高充电效率和动态调度的实时性.本文提出一种按需的无线传感器能量补给调度方案,首先每个周期对所有请求充电的全局优化节点充电路径,接着对实时性请求结合动态插入法安排紧急需求节点充电.通过仿真实验比较,本文提出的混合方案相对于周期性调度方案和按需方案在充电效率、移动路径代价和节点饥饿率上具有显著优势.     

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。     

基于充电效率的WRSN能量补充策略

无线可充电传感器网络(WRSN)的节点能量补充问题是当前传感器网络研究的一个热点。已有研究大多假设传感器能量消耗速率较为恒定,因此难以适应能量动态消耗的实际场景;还有些研究虽然考虑了节点充电请求的动态性,却无法选出适当的充电对象,使性能受到限制。为解决该问题,分析了WRSN的充电问题,提出基于充电效率的能量补充策略(CEBER)。该策略首先提出充电效率的量化计算方法,将充电效率作为选择充电对象的重要决策因素;同时其也考虑了节点所能容忍的最长充电等待时间,使决策结果尽可能避免引起节点失效。仿真结果表明,CEBER能够有效降低节点失效率,提高网络整体的充电效率,从而为WRSN提供更加有效的充电服务。     

无线可充电传感器网络中的充电路径优化

在无线可充电传感器网络中,多充电小车路径规划是根据成本目标规划出最优充电路径的全局优化问题.针对该问题,仅仅考虑路径距离是不全面的.因此,本文提出将路径距离、充电时间和车辆成本组合为新的成本目标模型.同时,对于求解路径问题,采用改进的鸽群算法和遗传算法混合的方式求解.在鸽群算法中引入遗传算法的交叉变异操作,改善了最优解...     

无线充电传感器网络能量效率优化研究

本文将SWIPT技术应用到无线充电传感器网络中,提出了一种基于SWIPT的协作传输协议（简称CTS）,利用无线信息和能量的协作传输来提高无线能量传输的效率。在此基础上,设计了一个以最大化网络效用为目的的资源分配策略优化问题,并提出RAPOA算法来求解问题。仿真实验表明CTS最大化了网络效用,提高了无线充电传感器网络的能量传输效率。     

基于一种虚拟骨干网环境下的移动能量补充策略

在无线传感器网络中,骨干网可方便地实现数据聚合,有利于达到能量高效的数据收集,但是其面临着骨干节点能量消耗过快,易出现因节点能量耗尽而导致骨干网连接中断的问题.为了保证网络能够持续高效的运行,一种基于虚拟骨干网的移动能量补充策略VBMERS(Mobile Energy Replenishment Strategy with Virtual Backbone)被提出来解决网络中骨干节点的能耗过快问题,同时也兼顾对非骨干节点的能量补充.VBMERS策略根据待充电传感器节点当前的通信量计算其优先级,始终选择优先级最大的节点作为充电候选节点以尽量给负载大的节点优先充电,从而避免节点快速进入能量饥饿状态.仿真结果显示,VBMERS策略能有效的解决节点的能量饥饿问题,降低了节点的失效率,进而延长了传感器网络的生存周期.     

无线传感器网络中移动节点定位算法研究

提出一种利用临时锚节点的蒙特卡罗箱定位算法.该算法是基于蒙特卡罗定位方法之上,通过引入节点平均速率来获取临时锚节点,并利用一跳范围内的临时锚节点构建最小锚盒、增强样本过滤条件,从而加速了采样和样本过滤.此外,在样本的获取上采用了非随机采样的均衡采样方法,有效地降低了采样次数.仿真结果表明:该算法同蒙特卡罗定位算法等相比,提高了节点的定位精度,降低了节点的能耗.     

无线传感网络移动节点位置并行微粒群优化策略

网络节点位置优化是无线传感网络研究的核心问题之一.无线传感网络通常由固定节点和少量移动节点构成,传统的虚拟力导向算法无法解决固定节点对移动节点优化的约束.该文针对这一问题,提出了基于并行微粒群算法的优化策略.微粒群算法具有适于解决连续空间多维函数优化问题、能快速收敛至全局最优解的特点.并行框架提高了算法的运行效率,降低了算法的运算复杂度,使算法能够满足无线传感网络的需求.通过并行微粒群算法搜索不同状态下无线传感节点的最优位置,使无线传感网络能够利用移动节点实现网络结构的动态重组,最大化网络覆盖范围,提高网络测量可靠性.实验证明,并行微粒群优化策略能快速有效地实现无线传感网络移动节点位置优化.     

基于相遇位置预测的移动传感器网络能量补充方法研究

能量问题一直是无线传感器网络研究的热点。传感器有限的电池电量会造成能量供应不足,甚至会导致网络瘫痪。同时传感器的移动性也给实现移动传感器网络的高效能量补充带来了新的挑战。为了保证移动传感器网络持续高效运行,本文提出了一种基于相遇位置预测的移动传感器网络能量补充方法。首先根据移动传感器的剩余能量和移动信息,计算移动充电装置与每一个提出充电请求传感器的最短相遇时间及相遇位置。其次在保证缺电传感器都能够获得公平的充电响应的基础上,移动充电装置优先选择与其相遇时间最短的缺电传感器进行能量补充。仿真实验结果表明本文提出的移动传感器网络能量补充方法能更有效地缩短充电延迟,提高充电效率。     

基于ARM的无线传感器网络移动节点的设计

介绍了基于ARM微控制器的移动传感节点的设计方案，给出了以LPC2214为核心的硬件设计的原理框图。详细阐速了红外传感器电路、射频通讯电路、电机驱动电路及外围接口电路的设计和数据传输流程。该传感器节点具有配置简单、扩展方便、可靠性高的特点。测试结果显示，该移动节点运行稳定，适合应用于无线传感器网络中的数据传输。     

移动场景下异构无线传感器网络密钥管理方法

由于移动无线传感器网络支持节点的移动性,使其面临更加复杂的安全性挑战,很难防御一些极具破坏力的攻击,比如节点复制攻击和女巫攻击等。本文提出了在移动异构无线传感器网络模型下一种安全高效的密钥管理方法。所提方法采用椭圆曲线密码学加密算法实现移动节点位置信息到基站的安全上传,以及基于密钥哈希的消息认证码来实现消息源的身份认证。基站则对收集的移动节点位置信息进行统计分析来协助完成固定节点与移动节点间的身份认证及会话密钥建立。实验结果表明,所提方法在密钥建立过程节省了网络资源,同时可有效防御攻击者发起重放攻击、节点复制攻击和女巫攻击等,增强了网络安全性。     

Energy-Efficient Minimum Mobile Charger Coverage for Wireless Sensor Networks

Journal of Computer Science and Technology - Sustaining an operational wireless sensor network (WSN) is challenging due to the persistent need of the battery-powered sensors to be charged from time...