无线传感器网络移动充电低时延数据收集策略研究

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1、国家自然科学基金资助项目(61104208)天津市应用基础与前沿技术研究计划资助项目(13JCQNJC00800)无线传感器网络移动充电低时延数据收集策略研究MobileChargingandLowDelayDataGatheringStrategyinWirelessSensorNetworks学科专业：电气工程研究生：于志博指导教师：刘丽萍副教授天津大学电气与自动化工程学院二零一五年十一月摘要无线传感器网络(WSNs，wirelesssensornetworks)中，采用移动无线充电并完成数据收集，改善了节点能量分布的

2、均衡性，延长了网络使用寿命。但考虑到移动设备速度的限制，会给数据收集带来一定的时延。在保证网络可持续运行的情况下，以优化数据收集时延为目标，本文研究了多用途移动设备（MPMD，multipurposemobiledevice）对传感器节点充电并收集数据的时延优化问题，提出了基于MPMD移动充电低时延数据收集策略，并对该策略进行了理论分析和仿真验证。主要工作如下：(1)研究了WSNs移动充电低时延数据收集问题。将MPMD引入WSNs进行充电和数据收集，提出了网络持续运行情况下的低时延移动数据收集问题。(2)将网络移动充电低时

3、延数据收集问题转化为中继跳数约束下的最短路径问题（SPRH,theshortestpathproblemundertherelayhopconstrains）。通过对接收数据/充电时间、移动时间、路径长度、数据收集时间、最大数据收集时延、能量约束与中继跳数之间关系的分析及理论推导，将网络移动充电低时延数据收集问题转化为SPRH问题。(3)设计了求解SPRH问题的基于节点充电权值的贪婪启发式算法（NCWG，nodechargingweightbasedgreedyheuristicalgorithm）。本文证明了SPRH问题

4、为NPC问题，依据中继跳数和路径长度关系设计了节点充电权值，并基于节点充电权值采用贪婪算法确定充电节点集及移动路径。(4)改进得到了基于节点充电权值寻优的启发式算法（NCWO，nodechargingweightoptimizationbasedheuristicalgorithm）。考虑到改变路径长度增加量和中继跳数减少量的影响程度，会使节点充电权值发生变化，设计了可调节的节点充电权值，并通过粒子群算法寻找最优的节点充电权值，再根据最优的节点充电权值获得充电节点集及移动路径。NCWO算法比NCWG算法获得的路径长度更短。

5、(5)提出了基于MPMD移动充电低时延数据收集策略。该策略根据节点能量以及NCWG或者NCWO算法建立充电节点集；以充电节点为虚拟簇头建立虚拟簇并传输数据；MPMD沿规划路径依次在各簇内收集数据。仿真结果证明该策略在保证网络寿命的前提下有效降低数据收集时延，并分析了充电功率、数据传输速率、采集速率、移动速度对路径长度及数据收集时间的影响。关键词：无线传感器网络；无线充电；移动数据收集；低时延；中继跳数ABSTRACTInwirelesssensornetworks(WSNs),thecombinationofmobilew

6、irelesschargingandmobiledatagatheringimprovesthebalanceofnodeenergydistributionandprolongsthelifetimeofWSNs.However,thelimitationofthespeedofthemobiledeviceleadstodatagatheringdelay.Aimingtooptimizedatagatheringdelayonthepremiseofguaranteeingthenetworklifetime,del

7、ayoptimizationproblemonchargingsensorsandcollectingdatawithmultipurposemobiledevice(MPMD)wasstudied.Anoptimalmobilechargingandlowdelaydatagatheringstrategywasproposed.Thestrategywasanalyzedtheoreticallyandverifiedbysimulation.Themainworkisasfollowing:(1)Mobilechar

8、gingandlowdelaydatagatheringprobleminWSNswasstudied.MPMDwasintroducedinWSNsforwirelesscharginganddatagathering.Thelowdelaymobiledatagatheringproblemwasp