[發明專利]基于串行干擾消除的無線傳感網絡充電策略跨層優化方法

有效

• 申請號: 201811259887.0
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109362086B
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 徐娟;徐興鑫;石雷;丁煦;徐鵬飛;史永方
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W52/02;H04W84/18
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 陸麗莉;何梅生

本發明公開了一種基于串行干擾消除的無線傳感器網絡充電策略的跨層優化方法，包括：對網絡中的節點進行分簇，在數據鏈路層采用時間片調度機制，再結合網絡中通信信道容量和物理層的約束，通過對具有串行干擾消除功能的基站的接收信號進行控制，實現同一簇內節點并發通信；采用無線能量傳輸技術，對傳感器節點進行周期性的能量補給，通過分析節點和無線充電設備WCE的工作模式，建立以最大化WCE駐站時間比的跨層優化問題，并將其轉化為等價線性規劃模型求解得到傳感器節點的功率控制策略和WCE的周期性工作策略。本發明能在延長網絡生命周期的同時，有效地提高傳感器網絡的網絡吞吐量，增大信道利用率，從而提高傳感器網絡的通信能力。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡中干擾管理技術，無線能量補給技術以及跨層設計領域，具體是一種基于串行干擾消除的無線傳感器網絡充電策略的跨層優化方法。

背景技術

在無線傳感器網絡中，廣泛存在的通信干擾限制了網絡吞吐量和信道利用率，嚴重影響了無線傳感器網絡的通信性能。此外，每個傳感器節點通常由其電池供電，但電池能量受到傳感器節點的大小和成本的限制。因此，通信干擾和能量問題嚴重影響了無線傳感器網絡的性能和發展。

在傳統的無線網絡傳輸中，當多個節點同時向同一節點發送數據時，會發生沖突。這將導致沖突數據包的丟棄或重傳，從而影響通信的效率和實時性能。干擾管理可以實現并發通信從而有效地緩解這個問題，其中串行干擾消除(Successive InterferenceCancellation,SIC)因為其簡單，易實現，且效果良好而備受關注，成為干擾管理技術中最常用的方法。它突破了傳統無線通信技術的束縛，較少了信號干擾，提高了信道利用率和網絡吞吐量。因此，這也給節點帶來了大量的能量消耗，并且可能導致嚴重的能量問題。

解決能源供應問題有兩個主要的解決方案：能源節能和能源獲取。在節能方面，以往的一些工作主要是通過降低節點的功耗來節約能量，例如能量管理策略，路由MAC層協議和跨層協議，從而延長無線傳感器網絡的壽命。能量獲取是從環境中獲取能量，如陽光、潮汐、風等，但能量轉換器由于體積大，可能不適用于某些特定的工作場景。近年來，Kurs提出的無線能量傳輸(Wireless Energy Transfer,WET)技術是解決能源問題的一個新方向。基于強耦合磁共振的WET技術的重大突破為長距離無線傳輸提供了一種改進方案。有研究者提出采用一種能夠自由移動的無線能量補給設備來為無線網絡中的傳感器節點提供能量。近年來，無線能量供應設備被應用于無線可充電傳感器網絡(wireless rechargeablesensor networks, WRSN)，自由移動為無線傳感器節點提供能量。有研究者提出采用移動充電器(Mobile Charging,MC)對無線傳感器網絡中的節點進行能量補給，引入可充電能量周期的概念，并證明MC的充電路徑為哈密爾頓回路來研究MC的工作方案。也有學者研究在不同網絡環境下 MC的充電策略，如靜態或動態拓撲結構、固定或移動基站，及動態數據收集和數據路由等。

關于無線傳感器中通信干擾和能量補給的研究都是分別展開的。在優化網絡通信性能的研究中，常忽略優化后所造成的能量短缺問題；在專注于能量問題的研究中沒有考慮網絡吞吐量，信道利用率等方面，使得無線傳感器網絡的通信性能和工作壽命受到限制，不利于在實際場景中的應用和發展。

發明內容

本發明為克服現有研究存在的不足之處，提出一種基于串行干擾消除的無線傳感器網絡充電策略的跨層優化方法，以期能在延長網絡節點壽命的同時，實現網絡中多節點并發通信，從而能有效地提高傳感器網絡的網絡吞吐量和信道利用率。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

本發明一種基于串行干擾消除SIC的無線傳感器網絡充電策略的跨層優化方法，所述無線傳感器網絡中包括：N個傳感器節點、維護站、無線充電設備WCE和基站B；其特點是，所述跨層優化方法包括以下步驟：

步驟1、構建無線傳感器網絡并設置相關參數，提出傳感器節點并發通信的功率控制方法；