面向无线传感器网络的联合交替优化算法与能量收集策略研究

Recently, wireless sensor networks (WSNs) have been proven extremely powerful because of their unique features that allow a wide range of applications in the areas of environment, health, military and home. As sensor nodes carry limited, in general irreplaceable power sources, one of the most important constraints for WSNs is a low power consumption requirement. Thus, power conservation is of tremendous importance. In this proposal, we first investigate and devise power-efficient solutions for the physical layer and cross layer designs for WSNs when battery-powered nodes are considered. This includes low-complexity algorithms for channel estimation and data censoring, joint design of data fusion, resource allocation and relay selection. The proposed algorithms are aimed at substantially reducing the amount of data processing and transmission while still allowing an improvement in the performance of the networks. Second, we employ energy harvesting techniques for WSNs. An optimization of energy harvesting parameters, an adaptive sampling with two energy-efficient retransmission protocols and a novel relay selection scheme are proposed under the condition of using energy harvesting nodes as cooperative relays. As a result, the network lifetime will be extended and data processing capabilities will be greatly enhanced compared to the battery-powered nodes.

无线传感器网络是物联网底层网络的重要技术形式，有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。由于传感器节点通常携带有限的且不可替换的能源，节约能耗具有极大的重要性，而能量收集技术的应用被认为是一种延长节点寿命的重要技术。本项目首先研究在考虑电池供电节点时针对无线传感器网络物理层和跨层的低能耗解决方案，包括低复杂度的信道估计和数据删截算法，以及数据融合、资源分配和中继选择的联合优化设计。所提出的算法旨在大幅减少数据处理和传输量，节约能耗，以及最大化节点的使用寿命或性能参数。第二，采用能量收集技术，在使用能量收集节点作为协作中继的条件下提出了能量收集策略，包括能量收集参数的选取与联合优化、匹配两种高能效重传协议的自适应采样和创新的能量收集中继选择方案。与使用电池供电节点相比，将大幅延长节点使用寿命并且增强其数据处理能力，解决传统电池供电无线传感器网络中必须在节点性能参数和寿命两者间做取舍的折中问题。

无线传感器网络是物联网底层网络的重要技术形式，有着广阔的应用前景和巨大的应用价值。由于传感器节点通常携带有限的且不可替换的能源，节约能耗具有极大的重要性，而能量收集技术的应用被认为是一种延长节点寿命的重要技术。本项目首先研究在考虑电池供电节点时针对无线传感器网络物理层和跨层的低能耗解决方案，具体为低复杂度的信道估计算法，以及数据融合、资源分配的多参数联合优化设计。所提出的算法可以大幅减少数据处理和传输量，节约能耗，以及最大化节点的使用寿命或性能参数。第二，采用能量收集技术，在使用能量收集节点作为协作中继的条件下提出了能量收集策略，包括能量收集参数的选取与联合优化、资源分配策略和创新的能量收集中继选择方案。与使用电池供电节点相比，可以大幅延长节点使用寿命并且增强其数据处理能力，解决传统电池供电无线传感器网络中必须在节点性能参数和寿命两者间做取舍的折中问题。.本报告总结了项目中完成的8个课题，分别涉及物理层的低复杂度信道估计算法以及能量收集无线传感器网络中的跨层优化，包括资源分配策略以及中继选择方案研究，达到了提高系统性能、延长系统寿命的目的。项目验证环节均为软件仿真，后续研究将通过搭建系统硬件平台，验证所提出算法在实际运行中的有效性。