面向服务质量优化的充电传感网资源分配研究

Limited energy is a key challenge in application of wireless sensor networks; it is possible to solve the energy problem through wireless radio recharging technology. In order to improve the utilization ratio of rechargeable energy, utility and quality of service of sensor network, this project will plan to use network utility maximization theory to optimize recharging scheduling and resource allocation together in a wireless sensor network. Firstly, we will establish energy replenishment constraints based on wireless energy transfer conditions. The static directional charging scheduling and mobile charging planning are studied respectively，the corresponding quality of service oriented network utility maximization problems are modeled. Then, we will utilize decomposition theory to separate the integrated network utility maximization problem into coupled recharging scheduling and resource assignment problems. Next, resource assignment problem will be separated to some sub-problems based on dual decomposition; these sub-problems are coupled with primal/dual variables. Moreover, some accelerated algorithms are developed to assign resource distributed. The proof of convergence of accelerated distributed algorithm will be conducted. Lastly, according to the technology and application background of wireless sensor, we will design recharging scheduling and resource assignment mechanism, and the mechanism will be validated and evaluated through extended network simulation and actual heterogeneous wireless sensor network. The achievement of the project will be formulated as theory, algorithms and protocols, which are useful to support theory and technology for novel rechargeable wireless sensor network's application.

能量受限是限制无线传感器网络应用的关键挑战，无线射频可充电技术有望彻底解决传感器能量限制的问题。为了提高充电能源利用率、提升传感网整体效用及用户服务质量，本项目基于优化理论研究无线传感器网络中充电调度和资源分配问题。首先根据无线能量传输条件建立无线充电能量补给约束，分别研究静态定向充电调度与移动充电规划，将其融入面向服务质量的网络效用最大化模型之中；其次基于分解理论将模型分解为耦合的充电调度和资源分配问题；再次，利用对偶分解将资源分配分解为若干子问题，子问题间通过约束和原/对偶变量耦合；进一步对子问题设计加速分布式优化算法，从理论上证明加速算法收敛性与稳定性；最后，根据无线传感器网络技术特点和工程应用背景设计模型与算法的实现机制，分别采用扩展的软件仿真和异构的传感器网络原型对方案进行验证与评价。通过项目开展建立的模型、算法与原型系统，为新型无线传感网络应用提供必要的理论和关键技术支撑。

无线传感器网络广泛应用于环境监测、智慧城市、智慧农业等领域。传感器节点电池容量有限，节点难以长时间工作，容易导致网络失效。手工更换电池需要大量的人工。为了解决这一问题，人们从节能设计和能量汲取两方面进行了研究。节能设计只能在一定程度上延长网络生命期；能量汲取存在能量获取不稳定缺点，难以支持高质量的感知服务。近年来，无线充电技术引起人们的关注，通过无线能量传输，低功耗的无线传感器节点可获取稳定的能量供给。因而，无线可充电技术有望解决传感器能量限制的问题，从而延伸低功耗传感网规模和应用领域。.为了提高充电能源利用率、提升传感器网络效用及用户服务质量，本项目基于优化理论研究无线传感器网络中充电调度和资源分配问题。首先研究移动充电调度问题，分别从单移动充电器、多移动充电器进行研究，以最大化充电效用设计多种面向混合业务的调度方案，通过实验比较显示所设计方案的优越性。其次进一步将充电调度与无线传感器网络中的速率控制、路由等进行联合优化，用以拓展网络效用最大化框架。将无线充电调度作为优化指标建立效用模型，进一步考虑基于分解理论将模型分解为耦合的充电调度和资源分配问题，分别研究静态充电调度与移动充电规划；再次，利用对偶分解将资源分配分解为若干子问题，子问题通过约束和原变量与对偶变量耦合；进一步对子问题设计加速分布式优化算法，并从理论上证明加速算法收敛性与稳定性。通过实验比较显示联合优化算法能显著提升可充电无线传感器网络性能。针对复杂三维环境下无线传感器网络充电问题，研究有障碍空间中无人机充电。实验结果显示所设计方案可以显著提升无线传感器网络生命期。扩展无线可充电传感器网络应用于三维有障碍空间。项目所设计方案与算法的实现机制根据无线传感器网络技术特点和工程应用背景设计。.本项目通过项目开展建立的模型、算法与系统，为新型无线传感网络应用提供必要的理论和关键技术支撑。项目执行期间，已在IEEE TSUSC、Engineering、Computer Communication、Applied Mathematical and Modelling、电子学报、电子与信息学报与计算机研究与发展等重要学术期刊及会议发表及录用相关学术论文27篇，其中SCI收录15篇，EI收录19篇；授权发明专利8件、登记2件软件著作权；依托本项目培养硕士生18名。