【摘要】：作為“互聯(lián)網(wǎng)+”最有發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一,物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,Io T)的觸角將遍布人們生活、學(xué)習(xí)和工作的方方面面。在物聯(lián)網(wǎng)概念實(shí)施的過(guò)程中,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)的大量部署是維持物物相連特性的重要手段之一。隨著長(zhǎng)周期物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析需求的日益增長(zhǎng),傳統(tǒng)的WSNs在能量管理問(wèn)題上面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能量資源受限,現(xiàn)有的WSNs能量有效管理方案并不能徹底解決傳統(tǒng)的電池供電傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供應(yīng)問(wèn)題。近年來(lái),研究學(xué)者們將可充電技術(shù)引入到WSNs能量管理設(shè)計(jì)中,環(huán)境能量采集技術(shù)和無(wú)線能量傳輸技術(shù)是其中兩種典型的能量補(bǔ)充解決方案,這兩種方案在一定程度上延長(zhǎng)了WSNs的生存時(shí)間,使傳感器節(jié)點(diǎn)永久工作成為一種可能。本文深入研究了利用環(huán)境能量采集技術(shù)和無(wú)線能量傳輸技術(shù)為傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行供電的能量協(xié)作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Cooperative Wireless Sensor Networks,EHC-WSNs),傳感器節(jié)點(diǎn)在能量協(xié)作中的能量效率最大化問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)吞吐量最優(yōu)化問(wèn)題是本文的研究重點(diǎn)。主要的創(chuàng)新點(diǎn)包括:針對(duì)能量耗盡的能量協(xié)作節(jié)點(diǎn)和能量接收節(jié)點(diǎn)的及時(shí)補(bǔ)能問(wèn)題,提出了一種提高無(wú)線充能效率的基于區(qū)域的主動(dòng)能量協(xié)作充能策略;為了能夠最小化節(jié)點(diǎn)能量消耗并最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期,本文引入機(jī)會(huì)路由策略,根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在距離、剩余能量、能量生成速率和能量消耗速率這四種不同的因素,來(lái)進(jìn)行多跳中繼轉(zhuǎn)發(fā)抉擇,以此來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的能量效率;同時(shí),本文還分析了EHC-WSNs節(jié)點(diǎn)的能耗模型特點(diǎn),提出了基于能量協(xié)作的能量均衡管理機(jī)制,以此來(lái)優(yōu)化能量效率和提交網(wǎng)絡(luò)吞吐量;最后,在能量均衡模式的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了基于石墨烯結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)部署方案以此來(lái)保證節(jié)點(diǎn)的能量覆蓋和網(wǎng)絡(luò)的連通性。具體的研究?jī)?nèi)容包含以下幾方面內(nèi)容:1.本文建立了基于大規(guī)模能量協(xié)作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量協(xié)作網(wǎng)絡(luò)模型,定義了兩種不同類型的中繼節(jié)點(diǎn):能量協(xié)作節(jié)點(diǎn)和能量接收節(jié)點(diǎn)。同時(shí),提出了一個(gè)能量非均勻分布的主動(dòng)充電調(diào)度算法,即基于區(qū)域的主動(dòng)充能算法(Region-based Proactive Energy Cooperation,RPEC),該算法同時(shí)考慮了能量接收節(jié)點(diǎn)到能量協(xié)作節(jié)點(diǎn)的距離和其自身未充電前的初始能量對(duì)節(jié)點(diǎn)充能的影響,以這兩個(gè)參考因素作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇下一個(gè)待充電的能量接收節(jié)點(diǎn)。2.本文計(jì)算了最優(yōu)傳輸距離的理論值,同時(shí)將這個(gè)概念應(yīng)用到真實(shí)場(chǎng)景中并在此基礎(chǔ)上定義了虛擬的能量等效節(jié)點(diǎn)(Energy Equivalent Node,EEN)。在機(jī)會(huì)路由算法設(shè)計(jì)過(guò)程中,將到能量等效節(jié)點(diǎn)的距離、中繼節(jié)點(diǎn)剩余能量和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)這些多維問(wèn)題轉(zhuǎn)化成一維問(wèn)題,提出了基于能量協(xié)作的機(jī)會(huì)路由算法(Opportunistic Energy Cooperative Routing,OECR),該算法可以優(yōu)化下一跳中繼節(jié)點(diǎn)的選擇。3.本文比較了傳統(tǒng)的基于電池充電的能量模型和基于能量協(xié)作的能量模型的不同,分別定義了能量協(xié)作節(jié)點(diǎn)和能量接收節(jié)點(diǎn)滿足能量均衡操作需要達(dá)到的條件,并深入研究了能量協(xié)作節(jié)點(diǎn)在能量均衡管理機(jī)制下的最優(yōu)吞吐量問(wèn)題,提出了基于能量協(xié)作的均衡管理機(jī)制(Energy-neutral-based Energy Cooperation Mechanism,ENECM),以達(dá)到最大化能量效率和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)吞吐量的目的。4.本文將石墨烯結(jié)構(gòu)分布概念引入到能量協(xié)作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方案中,利用石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)屬性來(lái)保證對(duì)能量接收節(jié)點(diǎn)的有效能量覆蓋和網(wǎng)絡(luò)連通性,并提出了基于石墨烯結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署方案(Graphene-based Optimal Relay Placement Strategy,GORPS),用于解決有效能量覆蓋問(wèn)題和最大化能量利用率的問(wèn)題。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5

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本文編號(hào)：2760420