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无线传感器网络是由一些拥有感知、处理、无线通信和能量模块的传感器节点以自组织的形式组成的网络。随着无线传感器网络技术的发展,传感器节点的数目呈现爆发式的增长,传感器节点对能源的渴望也越来越成为研究的主要挑战之一。一般地,传统的无线传感器网络节点主要依赖于容量有限的电池作为能量供应,当传感器节点被部署后,电池是不方便进行更换或者更换起来麻烦的。因此减少无线传感器网络能量消耗,延长无线传感器网络生命周期成为传统的以电池供电为能量来源的无线传感器网络设计的首要目标。近年来,随着技术的发展,对传感器节点进行能量补充成为另一条延长传感器网络工作时间的途径,包括能量采集技术和无线能量传输技术。此外,在无线传感器网络中存在着由资源分配不均衡而引起的不公平现象,从而需要网络通过可控的调度策略和算法,对网络通信资源进行合理分配和调度,提升网络性能指标,延长网络生命周期。 本文面向能量受限无线传感器网络,研究该网络中的公平调度问题。具体来说,研究三种不同能量供应条件下,即基于电池供电条件下、基于无线能量采集供电条件下和基于无线能量传输补充电池供电条件下,无线传感器网络中的公平调度问题。具体分析了不同能量供应条件对公平调度变量即时间和发射功率等的影响,实现了能量受限无线传感器网络中通信资源的合理分配,保证了传感器节点间的公平性和延长了无线传感器网络的生命周期。 针对一般的电池供电多速率无线传感器网络,本文调查了一个在该网络中公平性和吞吐量折中的带宽分配问题,提出了一个多速率无线传感器网络带宽分配公平调度近似算法。首先,我们定义了一个新的关于带宽分配的公平效用函数,以该公平效用函数作为网络调度最优化问题的目标。解决该问题分成两个阶段进行,在第一阶段,利用链路速率信息和接收信号强度信息来进行传感器节点簇头关联操作;第二阶段,对时间片进行分配调度用来最大化公平效用函数。仿真实验结果表明,所提出的算法与文献中类似的算法进行对比,在公平指数方面有很大的提升。 针对电池供电条件下的能量受限无线传感器网络,本文调查了一个在无线传感器网络实现公平性、吞吐量和网络能量消耗相折中的问题。利用功率控制技术,提出了一个无线传感器网络能量有效性公平调度算法。对时间片、发射功率和节点关联变量这些资源进行调度和分配。利用上一部分解决问题的思路,把问题分成两个步骤进行解决,第一步完成发射功率和传感器节点关联变量的确定,第二步实现时间片的调度,实现在保证无线传感器网络带宽分配比例公平的条件下,通过功率控制减少网络能量消耗的目标。本文对功率控制的动态调整过程进行了仿真并且在Jain公平指数方面对算法进行了评价。 针对无线能量采集供电的无线传感器网络,本文在总结已有的认知无线供能传感器网络资源分配算法的基础上,解决网络中传感器节点间存在的不公平现象,提出了基于无线能量采集的认知无线传感器网络比例公平调度算法。该算法通过凸优化技术解决了认知传感器节点时间片的调度问题。仿真结果显示,所提出的算法在公平指数方面提升显著,并且在公平性和吞吐量方面找到了一个合适的折中。 针对无线能量传输技术补充电池进行能量供应的无线传感器网络,本文在原有无线供能传感器网络的基础上,采用带内全双工技术,研究该网络中的公平资源分配与调度问题。同样地,针对网络中存在的传感器节点间资源分配不均衡的现象,提出了一个带内全双工无线供能传感器网络比例公平调度算法。该算法对传感器节点的时间片和上行信息传输发射功率进行调度分配,保证在实现传感器节点间上行带宽分配比例公平的前提下,尽量减少网络能量消耗偏移的目标。仿真结果对算法的公平性、吞吐量和网络能量消耗偏移三个方面进行了评估。 本文在三种不同能量供应条件下研究能量受限无线传感器网络的公平调度问题,实现公平性目标的同时延长网络生命周期。然而,由于该领域研究内容繁多,网络种类和节点类型多样化,应用场景复杂,本文仅仅选择了几种典型的能量受限无线传感器网络类型,研究了这几种网络中的公平调度问题。未来,还需要对问题进行更加深入的研究。随着无线能量采集和无线能量传输技术的进步,迫切需要理论和应用实现相结合的调度算法,这都是我们后续研究方向之一。