avatar avatar 我的文献 无线可充电传感器网络系统分析与优化 作者 舒元超 单位 浙江大学 关键词 传感器网络; 无线充电; 节点定位; 速率控制; 节点工作调度; 通信时延; 应用设计
摘要
作为一种新兴技术,无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Network, WRSN)集成了无线充电、感知、通信和计算等多种功能。与由电池供电的传统传感器节点不同,无线可充电传感器节点可以收集来自无线充电器(或读写器)的射频能量。鉴于其具有小型化的特点和通用的感知功能,无线可充电传感器在诸如仓库库存管理、供应链和环境监测、认证等领域具有广泛的应用前景。随着无线可充电传感器节点设计的日趋成熟,在传统无线传感器网络的基础上系统地分析和研究无线可充电传感器网络的性能具有很大意义。本文结合该方向的最新研究成果,以无线可充电传感器网络的系统分析与优化为主要研究内容。本文的主要工作和贡献包括以下几个方面:1.本文简要回顾了无线可充电传感器网络的研究背景、研究挑战和相关国内外研究现状。2.本文研究了无线可充电节点的定位问题。在大多数传感器网络应用中,传感器节点的位置信息都不可或缺。例如,在库房货物管理和环境监测场景中,系统需要知道节点位置从而判断传感数据的来源,并基于此进一步实现机器人辅助搜索和数据收集。同时,定位和跟踪基于RFID的节点可以帮助超市更好地理解消费者的购物习惯,并在医疗和救援环境中提供更好的服务。此外,许多基于地理信息的路由协议和网络优化算法也都基于已知的节点位置而提出。在本文中,我们利用无线可充电传感器网络中特有的充电特性,首次提出了充电时间(Time of Charge)的概念。利用可充电节点被充到某一电压阈值所耗费的时间,我们设计了一种可靠的节点定位算法TOC。TOC的创新性在于其从时空二维关系上利用移动充电过程中的充电时间序列信息渐进估计节点位置。此外,基于单步的估计结果,TOC还在线优化了此后移动充电器的停留位置。3.本文研究了移动充电器的速率控制问题。无线可充电传感器网络通常使用一个可移动的无线充电器来给网络中的节点充电。和布置静态的充电器相比,使用移动的传感器不仅成本更低,而且能更好地适应网络的拓扑结构变化。除此之外,移动充电器可以和数据收集设备相结合,在充电的同时收集不同节点的感知数据,从而降低网络的拥塞及节点数据传输的能耗。然而,使用可移动的无线充电器也有很多挑战。其中一个主要的问题是如何控制移动充电器的速度。在全向充电的场景下,每个节点所获得的能量主要由两个因素决定:一是充电器和节点间的距离;二是充电时间的长短。具体来说,距离越远、充电时间越短,节点获得的能量越少。因此,充电器需要尽可能长地处在节点周围。然而,由于节点分布的不均匀性,不同地理位置的节点所获得的电能不可能被同时最大化。在这项工作中,我们考虑移动充电器沿着给定轨迹给节点充电的一般场景,并设计最优的充电器移动速率,从而最大化延长网络寿命。具体来说,设计的目标是使收集能量最小的节点所获得的充电能量最大化。通过这种方式,我们能有效地弥补网络中能量分布不均匀的情况,从而有效地提升网络的感知质量、传输可靠性和网络吞吐量。4.本文研究了联合优化充电与节点工作状态调度问题。在无线传感器网络中考虑感知覆盖的节点工作调度问题已得到广泛研究。大多数现有的研究都考虑在供应能量总和确定的条件下,如何最小化总能量消耗。然而,在无线可充电传感器网络中,由于充电器的补充能量,每个节点的剩余能量并不总是单调下降的,故而传感器工作调度变得更加复杂。为了以一种能量平衡的方式给节点充电并设计其活跃/休眠的工作状态,我们在已知充电器充电能力(总充电能量)的情况下,研究如何找到传感器工作调度和能量分配的最佳策略。我们的设计缩小了节点间不同的能量消耗和初始能量分布不平衡之间的差距,从而提升了总能量的效用并延长了网络寿命。5.本文研究了可充电传感器网络通信时延最小化问题。在基于RFID的无线可充电传感器网络应用中,为了能够感知和监测重要产品的某些状态,我们通常将无线可充电传感器节点安装在不同的物品上。与此同时,RFID读写器也通常与节点部署在一起,或者通过移动来与节点通信并获取感知数据。从直观上来说,为了能使读写器以最短的时间从所有节点中获取传感器信息,我们需要让读写器能够尽可能多地覆盖传感器节点。然而,随着在RFID通信范围内的传感器节点数量的增多,传感器节点之间的碰撞也会更频繁地发生并导致更大的通信时延。不同于传统的减少传感器节点间通信碰撞的协议设计工作,本文从一个新的角度研究了一种最优化RFID读写器的移动方法来使从所有传感器节点处获得的感知数据的通信时延最小。与设计新的碰撞协议相比,此方法仅利用总的通信时延与所有在RFID读写器通信范围内的节点数量的基本关系。在此基础之上,分别在两种读写器运动场景(线性移动和在二维平面内运动)下给出了最优和次优停留策略设计。6.本文设计了一种基于无线可充电节点的门禁认证应用。现有的门禁认证方法可以分为两大类。第一类基于机械结构的匹配,例如钥匙和密码锁。另一类门禁认证系统基于电子认证,包括条形码、磁条、生物识别等等。和基于机械匹配的认证相比,电子认证能给管理员和用户提供更多便利和灵活性。但是,这种系统也免不了遭遇类似钥匙丢失、非法盗用或复制认证卡等问题。由于此类认证仍然基于嵌入卡内的静态ID信息,任何携带卡的人都具有系统访问权限。为了弥合现有的电子认证解决方案的不足和人们对高安全性的门禁系统日益增长的的需求之间的差距,本文基于无线可充电传感器节点设计了一种新型的、与现有的基于RFID技术的门禁系统向后兼容的电子认证方法。我们不仅从理论上分析了所提出的认证方法的密钥空间,也实现了完整的原型系统来验证此认证机制。在实验中,我们所提出的认证算法在不同用户中表现出超过95%的认证准确性。本文最后对全文进行了总结,并对进一步的研究工作进行了展望。
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