無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Networks,WSNs)中能效問題一直是限制無線傳感網(wǎng)發(fā)展的重要因素之一。傳感器節(jié)點在處于惡劣環(huán)境或嵌入人體時,節(jié)點無法連接電網(wǎng)或更換電池,使得網(wǎng)絡(luò)的壽命嚴(yán)重受到節(jié)點有限電池容量的制約。如何便捷的為節(jié)點供能,延長無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命成為了需要立即解決的問題。目前,國內(nèi)外學(xué)者對能量收集技術(shù)做了大量的研究,其中一種全新的解決方案,利用節(jié)點周圍環(huán)境中的射頻信號能量對節(jié)點進(jìn)行充能得到了廣泛的關(guān)注。由于無線傳感網(wǎng)的傳輸信道、傳輸功率和傳輸距離的限制,使得能量收集技術(shù)在信息傳輸問題上面臨著許多挑戰(zhàn)。我們加入中繼協(xié)作網(wǎng)絡(luò)通信,幫助源節(jié)點以可靠的、高效的、穩(wěn)定的協(xié)議將信號發(fā)送到目的接收端。無線傳感器節(jié)點在實際環(huán)境中很容易遭受損傷,對硬件收發(fā)器造成的影響,降低網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量,目前此方向的研究較少,需要在考慮節(jié)點硬件部分受損的情況下獲得精確的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。因此,對具有節(jié)點損傷的無線信息能量同傳網(wǎng)絡(luò)研究具有深刻的意義。為了解決無線傳感網(wǎng)實際應(yīng)用中的能效問題,本文提出了基于節(jié)點損傷的無線傳感網(wǎng)信息能量同傳算法,為無線傳感網(wǎng)中的能量收集技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容如下:一、針對無線傳感網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),考慮節(jié)點受損的物理現(xiàn)象對無線信息能量同傳網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模。分析協(xié)作通信方式,最后采用最佳中繼選擇方法,對源節(jié)點的射頻信號進(jìn)行信息的傳輸以及能量的收集。二、介紹兩種中繼協(xié)作通信模型,對比并分析了兩種傳輸方式的優(yōu)缺點,分別指出兩種方式的適用情況,隨后分析中繼節(jié)點的兩種信號轉(zhuǎn)發(fā)方式的可行性,確保信息以最大化速率傳輸。通過介紹時間分配的能量收集中繼協(xié)議和基于功率分配的能量收集中繼協(xié)議,對信息能量同傳進(jìn)行了理論分析。在本文中,我們分別根據(jù)兩種協(xié)議建立不同損傷程度下無線能量信息同傳網(wǎng)絡(luò)的傳輸模式,推導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)通信的性能指標(biāo),即在高信噪比情況下降低網(wǎng)絡(luò)中斷概率與提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在推導(dǎo)過程中以此為優(yōu)化目標(biāo)對所提出的算法進(jìn)行優(yōu)化求解。三、在信息能量同傳時采用時間分配傳輸協(xié)議與能量分配傳輸協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)的通信性能指標(biāo)進(jìn)行理論推導(dǎo)和算法研究。最后,我們通過MATLAB仿真,對理論模型進(jìn)行分析驗證。模擬分析節(jié)點損傷對工程實踐具有重要意義,我們給出網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)參數(shù)以及協(xié)議選擇,仿真證明我們的算法分析的有效性和可實現(xiàn)性,為以后的研究奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.5;TP212.9
【部分圖文】：

第 2 章 WSN 及能量收集通信分析.1 無線傳感網(wǎng)的概念及應(yīng)用場景無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)具有感知、計算、存儲和無線通信能力型節(jié)點組成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)[47]。這些節(jié)點協(xié)作地采集被感知對象的相關(guān)信息，并短距離多跳的無線通信方式將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交咀鲞M(jìn)一步的分析和處理，同時，也可以通過基站向節(jié)點發(fā)送控制消息，完成信息查詢和網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)等任務(wù)[48]。如圖示，無線傳感網(wǎng)作為具有廣闊應(yīng)用場景的新興研究領(lǐng)域，在我們的日常生活中隨處可在國家安全（應(yīng)急服務(wù)、救災(zāi)與軍事通信）、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)、交通管理、航天等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，受到軍事、工業(yè)和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它無線網(wǎng)絡(luò)、固定的 Internet 網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)無縫融合，組成無處不在的物聯(lián)網(wǎng)，以任何物體之間、人與物體之間的通信需求，從而提高整個世界的信息化和智能化水平線傳感器網(wǎng)絡(luò)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)“物聯(lián)網(wǎng)”、“泛在網(wǎng)”的關(guān)鍵核心技術(shù)之一[49

圖 2.2 無線傳感網(wǎng)2.2.2 無線傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示，傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊量供應(yīng)模塊四部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集單元包括傳感器和 A/D 轉(zhuǎn)換設(shè)備目標(biāo)信息的采集。傳感器根據(jù)不同的目標(biāo)特點采用不同的傳感形態(tài)，如聲吶、超聲波外、溫度、煙霧等。在該模塊中，主要由傳感探頭和變送系統(tǒng)共同完成采集信息和轉(zhuǎn)據(jù)的工作。處理控制模塊負(fù)責(zé)檢測相對應(yīng)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理單般由單片機(jī)或微處理器、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等組成，負(fù)責(zé)對采集到的目標(biāo)信行處理。它將節(jié)點的位置信息、采集到的目標(biāo)信息以及目標(biāo)信息的空間時間變量綜合然后將處理結(jié)果送到數(shù)據(jù)傳輸單元或存儲在本地。這里將使用一些算法實現(xiàn)對目標(biāo)別、跟蹤、定位等。對于可以移動的節(jié)點，它還可以根據(jù)分析結(jié)果對運動機(jī)構(gòu)如機(jī)器行控制，使之朝著靠近目標(biāo)的方向前進(jìn)。該模塊主要用來負(fù)責(zé)控制設(shè)備、分配任務(wù)、和處理監(jiān)測數(shù)據(jù)。無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制信息

圖 2.3 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)我們考慮這樣一種情況，即發(fā)送器的目標(biāo)是盡可能可靠地向信息接收器發(fā)送信息，同時滿足能量接收器的能量收集限制。當(dāng)傳感器節(jié)點硬件受到損傷時，為了對硬件損傷進(jìn)行建模，我們采用了一種具有特殊協(xié)方差結(jié)構(gòu)的加性噪聲模型，通過在傳輸信號時加入噪聲來模擬損傷。并通過實驗進(jìn)行了驗證，得到了分析參數(shù)的支持。我們的結(jié)果表明，當(dāng)信道信噪比較高時，所提出的硬件損傷設(shè)計可以獲得顯著的增益。2.3 能量采集機(jī)制綜述2.3.1 無線能量收集源如圖 2.4 顯示，無線收集技術(shù)指通過傳感器的天線在接收發(fā)射的無線電波時，將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流（direct current，DC）能量源，為傳感器設(shè)備供電。通常，在物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別標(biāo)簽的背景下，無線能源可分為兩類：(1)專用電源：無線傳感器節(jié)點配置專用射頻電源，為設(shè)備提供可預(yù)測的能源供應(yīng)。專
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