面向射频充电无线传感网的目标全覆盖方法研究

Complete targets coverage ensures continuous monitoring of critical facilities and areas within IoTs. In recent years, Radio Frequency (RF) charging, which allows sensor nodes to be charged over long distance, has received much attention in Wireless Sensor Networks (WSNs) and Internet of Things (IoTs) development. However, many research issues remain open on complete targets coverage in RF charging WSNs. Namely, managing the duty-cycle of nodes to provide targets coverage and RF power transfer, adaptive power management mechanisms, and the transmission of data and delivery of energy. Henceforth, this project aims to study the foregone research issues. Its objectives are to maximize complete targets coverage lifetime, manage nodes energy subject to random environment conditions, and balance RF energy transfer and data transmission delays. It will study these research issues based on the mathematical framework of mixed integer linear program and stochastic program. Solutions will be validated via analysis and simulation. The project’s ground breaking research include consideration for non-linear RF energy conversion efficiency, balancing interference caused by energy delivery to data transmissions, optimizing the duty-cycle of sensor nodes to conserve energy and data transmissions. This project is expected to perfect the complete targets coverage theory and deliver innovative solutions that enhance the application of RF charging IoTs in civil productions.

目标全覆盖确保了物联网中对重要设施和重点区域的持续监测。近年来，射频充电无线传感网以其远程充电的优势，逐渐成为物联网发展的新趋势。但是目前面向射频充电无线传感网的目标全覆盖方法还存在很多问题没有解决，包括节点目标覆盖与射频能量传输调度策略、应对环境随机性的节点能量控制机制以及节点数据与射频能量传输耦合关系。本项目针对以上科学问题，研究节点工作周期优化方法，分析随机环境下节点能量控制方式，探索节点射频能量与数据传输模式。以最大化目标全覆盖持续时间，满足随机环境下节点能量需求，最小化节点数据传输延迟为目的，基于混合整数线性规划和随机规划模型，提出一系列目标全覆盖方法，并通过理论分析与实验验证其有效性。本项目突破性地考虑能量转化效率、随机环境、数据与能量干扰等因素，从优化传感器节点工作周期、能量控制和数据传输角度实现目标全覆盖。项目预期将完善目标全覆盖理论，扩展射频充电物联网在民生领域中的应用。

目标全覆盖是物联网中关键问题之一，该问题确保检监测区域中所有目标在任意时刻都被至少一个传感器节点所监控，具有重要应用价值。射频充电技术利用可控能量源对传感器节点进行无线充电，能够有效延长传感器网络工作时间，降低维护成本。但是，面向射频充电无线传感网的目标全覆盖方法面临节点调度方法不完备、环境因素考虑不全面、数据和能量传输之间存在矛盾等问题。本项目针对以上问题，在各种新型射频充电网络中展开目标全覆盖方法探索，研究节点工作周期优化方法，分析随机环境下节点能量控制方式，探索节点射频能量与数据传输模式，解决节点目标覆盖与射频能量传输调度策略、应对环境随机性的节点能量控制机制以及节点数据与射频能量传输耦合关系等科学问题。在节点工作周期优化方面，建立射频充电无线传感网能量源和无线传感器节点工作周期数学模型，提出射频充电系统混合太阳能、反向散射通信等复杂网络的节点工作周期调度方法，提出目标全覆盖节点部署方法，构造三种节点部署近似算法并分别证明其近似度。仿真实验结果表明，合理利用反向散射技术能够提高射频充电无线传感网近50%的工作效率。在随机环境节点能量控制方式方面，利用机会条件随机规划和蒙特卡洛抽样方法构建包含随机系数的数学模型，提出鲁棒性目标全覆盖方法，确保随机环境中目标全覆盖概率不低于预设值。此外，利用基于特征的连续蒙特卡洛方法，提出强化学习采样优化算法，具有很小收敛时间并达到93%的最优算法性能。在节点射频能量与数据传输模式方面，提出基于非正交多址的数据上传调度策略，包括离散优化强化学习算法以及启发式学习算法，结果表明这两种方法均优于时分多址基准性能。此外，提出反向散射通信协助的节点传输调度方法，优化能量源充电时间、节点采样时间、节点之间的链路激活时间等，在直连和多跳网络中最大化目标覆盖采样传输速率。