能量收集的无线传感器网络能量管理策略研究

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在能量收集的无线传感器网络中,能量收集系统通过获取外界能量不断的为无线传感器供能,从而基本解决了传统无线传感器网络长期运行的能量供应受限问题。然而,能量收集技术的引进也同时带来了新的挑战。外界能量随时间发生随机或者周期性变化,不能持续为无线传感器提供足够的能量;复杂的无线通信环境会造成信息低能效传输;无线传感器电池的存储损耗、容量衰减等不理想特性会削减能量的使用效率和生命周期。为了有效使用珍贵的能量收集资源并提高无线传感器网络生命周期内的工作效益,对能量管理策略的研究是十分必要的。  当前的研究主要针对在电池存储容量不变和存在存储损耗条件下能量收集的无线传感器网络吞吐量最大化的研究,忽略了因无线传感器长期运行导致电池出现的容量衰减现象对吞吐量的影响。电池容量衰减不仅会削弱收集能量的均衡分配,还会缩短无线传感器生命周期,从而降低生命周期内的工作效益。  本文针对电池存在容量衰减和存储损耗特性的无线传感器网络能量管理问题,研究最大化能量收集的无线传感器网络生命周期内吞吐量的能量管理策略。首先,研究了基于静态信道的能量管理策略,将系统优化问题转化为凸优化问题,通过凸优化分析得到与当前能量收集水平、电池能量水平相关的功率控制策略,并提出了适应电池存储损耗和容量衰减的双功率阈值算法,用于优化平均吞吐量;通过最小化放电空间的电池充放电管理策略抑制电池容量的衰减速度,用于优化无线传感器的生命周期,并对无线传感器生命周期进行理论估计。其次,为了适应复杂的通信环境,进一步研究了基于衰落信道的能量管理策略,通过凸优化分析提出了适应信道衰落的双功率阈值算法,并分析了信道衰落条件下最小化放电空间的电池充放电管理策略。  最后,仿真结果表明无论在静态信道条件下还是衰落信道条件下,相应的双功率阈值算法不仅提高了信息传输的能量效率还避免了一定的能量存储损失,从而有效提高了生命周期内平均吞吐量;最小化放电空间的电池管理策略有效延长了节点的生命周期;最小化放电空间的双功率阈值算法有效提高了生命周期内的总吞吐量。
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