能量收集网络技术研究与发展

能量收集网络(Energy harvesting network,EHN)融合了新能源的优势,为能量受限型网络提供了解决方案,同时实现传统网络的节能减排,为网络的自治与永久运行提供发展前景。针对能量收集网络这一新的研究领域,本文分别从信息论视角、能量收集模型、离线与在线能量规划、无线能量与信息联合传输4个方面综述近年的研究现状与相关结论,旨在为能量收集网络的研究发展提供参考。

基于场景生成的能量收集网络模拟方法

能量收集网络(Energy Harvesting Networks)是一种新型的计算机网络形式,它通过搜寻各类环境能源,将其转化成可用的电能,然后将这些电能作为主要或辅助的电源方式供给电子设备进行网络通讯.但是,现有的能量收集网络大多采用解析概率分布函数刻画能量获取过程,无法准确模拟实际情况,缺乏真实性.为此,提出一种基于场景生成的能量收集网络模拟技术.首先,该方法基于历史能量获取数据,无需预设概率分布函数,使用最优消减技术生成单时段代表场景;然后,利用时齐模拟退火算法生成日场景序列,以便能够准确模拟能量收集网络中能量获取的随机特性.以实际的风电数据为例,通过与真实数据的对比,验证该方法的准确性和稳定性;然后以网络吞吐量的优化为例,验证了该方法在能量收集网络系统规划运行中的可行性和有效性.

能量收集无线网络中面向统计服务质量的最优功率分配

针对能量收集无线网络中的服务质量(QoS)保障问题,提出了面向统计Qo S的最优功率分配方案,从而最大化时延Qo S约束下的有效容量。首先,构建能量收集无线网络的有效容量最大化问题。其次,利用凸优化理论求解出最优功率分配方案以及该方案下的最大有效容量,并得出了两种特例下的最优功率分配方案,即:当Qo S需求非常松弛时,最优化功率分配方案收敛于注水策略;当Qo S需求非常严格时,最优化功率分配方案收敛于信道反转策略。然后,求解了所提最优功率分配方案得到的信道中断概率。最后,通过仿真实验,检验了该最优功率分配方案的性能。实验结果表明,与现有策略相比,所提方案能够获得更大的有效容量。

基于不确定理论的能量收集可靠性建模及规划

能量收集网络(energy harvesting network)是一种新型的计算机网络形式,它通过搜寻各类环境能源,将其转化成可用的电能,然后将这些电能作为主要或辅助的电源方式供给电子设备进行网络通信。然而,能量收集过程具有极大的波动性和不确定性,传统方法基于解析概率分布函数刻画能量收集过程,无法准确模拟实际情况,导致节点死亡概率较高、可靠性无法保证。为此,提出能量收集网络节点能量收集可靠性定义,对节点能量收集的置信程度给出评价,基于不确定理论,对能量收集的可靠性进行评估分析,分别建立节点无电池和无限容量电池情况下的可靠性模型。在此基础上提出能量收集可靠性多层不确定规划模型,对模型求解并提出一种能量平均分配(EAA,energy average allocation)算法,并从理论上证明算法竞争比的上界。最后,以实际的风电数据为例,验证所提模型和方法的可行性和有效性。

振动能量供电的矿用无线传感器网络研究

针对现有矿用无线传感器网络使用的传统供电方式所带来的不足,根据振动能量收集装置在国内外的发展情况,提出了使用振动能量供电的新型无线传感器网络,研究了采用振动能量收集装置对矿用无线传感器网络所带来的优势和可行性分析,结果表明使用振动能量收集装置的矿用无线传感器网络可以极大地增强无线传感器网络的监测作用。

无线携能传感器网络的应用研究

本文针对近年来传感器网络能源受限问题提出了无线携能通信技术的发展与应用,在建立RF能量收集网络架构的基础上,着重分析数据与能量同时传输的方法;搭建RF能量收集接收器硬件结构;分析最优化资源分配策略,从而实现能量的无线传输与存储,为传感器节点供应持久的电能,替代了原有的电池供应。

基于EHWSN的能量均衡动态最大流路由算法

针对最大流算法应用于能量收集无线传感器网络求解网络负载流量时,存在能量不均衡,网络容量受初始容量限制的问题,提出了一种能量均衡的动态最大流路由算法——EB-DMF。该算法在增广路径的选择中引入能量均衡机制,并根据节点收集的能量动态更新容量值,使网络能耗均衡,达到延长网络生命期,增大网络负载流量的目的。仿真结果表明与最大流算法相比,该算法能在增大网络负载流量的同时延长网络的生命期。

基于非线性能量收集的多用户MIMO认知无线供电通讯网络

能量收集网络能够延长能量受限型网络的生命周期,然而目前的研究大多针对单一天线的网络系统,同时线性的能量收集模型无法准确刻画系统能量收集过程.为此,针对能量收集多用户多输入多输出认知无线供电通讯网络系统,基于非线性能量收集模型分别建立overlay和underlay场景下的系统吞吐量优化模型;由于系统模型的参数耦合和非线性约束特性导致问题为联合凹的,利用等效代换将系统模型转化为等效凸问题,使用拉格朗日对偶方法求解;继而分别给出能量与信息协方差矩阵最优解形式及最优时间分配系数的求解方法,并使用数学方法证明其最优性.最后,基于实际的风电能量收集数据,验证算法的有效性及性能.仿真结果表明,与平均功率分配算法相比,最优求解算法能够实现更好的平均系统吞吐量,同时所述算法均在有限次迭代后达到稳定收敛.

EHWSNs中面向吞吐量和能耗优化的时隙分配算法研究

针对在具有移动汇聚结点(Sink)的能量收集无线传感器网络中,如何在数据收集时提升网络吞吐量和降低能耗的问题,分析了Sink移动距离与节点数据传输的时间周期之间的关系,将面向吞吐量和能耗优化的数据收集问题建模为基于混合整数线性规划的优化问题,并提出了一种基于有效传输周期的时隙分配算法来对其进行求解。算法主要分2个阶段进行:移动Sink在每个时间周期内识别出可进行数据传输的邻居节点,并为其分配时隙;移动Sink根据数据可用性对节点进行排序,并最终决定哪些节点在各个时隙期间发送数据。理论分析和仿真实验结果表明,所提算法在吞吐量和能耗方面的性能优于当前典型算法,且计算复杂度更低。

WSN中基于对偶分解和次梯度策略的能耗管理方案

为了减弱充电速率的时间可变性对能量收集传感器网络的影响,文中提出一种基于高效对偶分解和次梯度策略的算法QuickFix来计算数据采样率和路由;另外,为了应对因充电率发生波动所造成的电池断电、溢出、采样丢失和能量收集机会丢失等情况,提出一种本地算法SnapIt,通过对采集率进行调节以维持电池电量在目标水平上;基于TOSSIM模拟器的性能评估表明,联合QuickFix和SnapIt可跟踪网络瞬时最优效用,同时维持电池电量处于目标水平;与基于余压的IFRC相比,文中方法使总体数据速率平均提升42%,同时显著提升了网络效用。

Energy Efficiency Optimization in Relay-Assisted Networks with Energy Harvesting Relay Constraints

In this paper we consider data transmission in a decode-and-forward(DF)relay-assisted network in which the relay is energy harvesting(EH) powered while the base station(BS) is power-grid powered.Our purpose is to maximize the BS's energy efficiency(EE) while making full use of the relay's renewable energy and satisfying the specific average throughput requirements.In contrast to existing literature on energy harvesting system which only considers the radio transmission power,we take the static circuit power into account as well.We formulate the EE optimization problem and prove that the EE of the BS and relay are both quasiconvex in the instantaneous transmission rate.Then we divide the complex optimization problem into two point-to-point link level optimization parts and propose an energyefficient resource allocation(EERA) scheme in which power control and sleep mode management are jointly used.The simulation results demonstrate that EERA may achieve good energy saving effects.We also compare the EE of an energy harvesting relay system with a power-grid powered one and provide more insight into the EE problem of energy harvesting relay system.

优化传输性能的机会协作中继系统动态时间分配策略

为了优化能量收集无线网络传输性能,延长网络中能量受限型节点的生命周期,提出了一种基于解码转发策略的机会协作中继系统动态时间分配策略.在满足系统最低传输速率的约束下,推导出中断概率与时间分配系数之间的关系表达式;通过减小系统中断概率来优化时间分配系数,得出系统吞吐量和能量效率的表达式;设计了一种基于次优迭代的时间分配算法,实现问题的求解.仿真实验结果表明,在非理想信道状况下,所提出的策略有较高的系统吞吐量和能量效率,可优化无线网络的传输性能,提高可靠运行度.