EHWSN中基于节点部署与路由的联合优化算法
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2020-10-15
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EHWSN中基于节点部署与路由的联合优化算法中基于节点部署与路由的联合优化算法
EHWSN已经在实践中得到应用，如结构健康监测领域，但尚存在很多缺陷（如节点部署、路由）需要进一步研
究。提出了一种用于结构健康监测的新型EHWSN系统。重点考虑3个问题：（1）部署最少的节点数量；（2）
每个节点到汇聚节点的最优传输路径；（3）能量采集约束下的最大网络效用。设计了一种包括节点部署、路由
和能量分配的联合优化算法，以实现部署最少的节点数量达到数据采样质量最大化的目的。实验结果表明，相
比于现存的方法，该联合优化算法能够取得更高效的网络能量分配和更大的网络效用。
0 引言引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是监测操作环境的理想选择
[1]
。通常，传感器节点负责监测环境信息，
并将数据无线传输到一个或多个网关。因此，WSN非常适用于结构健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)场景。由于
安装简单，维护成本低，使用无线传感器网络的结构健康监测系统日益受到重视
[2-5]
。
但在结构健康监测中使用传统电池供电的无线传感器网络会面临诸多挑战，如：收集的数据量大、频繁更换电池、节点间
高精度的时间同步等。若为节点配备能量采集模块，则可以在很大程度上解决这些问题。能量采集模块可以从周围环境中(如
太阳能和风能)采集能量，并使用这些能量驱动传感器节点工作，在合理利用的基础上，无线节点可以“永久”地运行下去
[6-9]
。
但是，由于能量采集过程的随机性，所采集的能量无法稳定、不间断地传递。因此，精确的能量分配算法对于自供电无线传感
器网络(Energy Harvesting Wireless Sensor Network，EHWSN)系统是极其重要的。
近年来EHWSN的节点部署和路由的联合优化已经被广泛研究。ZHI A E等人通过寻找EHWSN的最优路由和中继节点安置
方案来优化网络性能
[10]
。SKULIC J等人提出了用于线性网络拓扑的传感器节点最优部署方法
[11]
。HALDER S等人将节点密
度作为对网络寿命有显著影响的参数进行研究，并推导出所需平衡能量消耗参数值
[12]
。YANG C L等人确定了用于感知和中继
的节点数量最少的位置，使得部署的节点可以覆盖所有目标，并具有最优的汇聚路径
[13]
。
尽管上述研究取得了一定进展，但它们一般都只考虑了单一的能量采集速率，故不能很好地在实践中得到应用。本文考虑
一种新型EHWSN系统，其中所有的传感器节点共享一个公共能量采集模块(含电量存储单元)，能量采集模块的能量采集率为
X J/s。节点将能量提取请求发送到公共模块之后，公共模块的能量将会被统筹分配并通过无线射频(Radio Frequency，RF）
方式传递至所有节点。基于上述操作，所有无线节点即可开始数据采样、处理和传输过程。为了在采集能量约束条件下最大限
度地提高所收获信息的质量并最小化传输功耗，本文研究并设计了一种高效可靠的能量分配策略及与其相应的节点部署算法和
路由协议。
1 系统模型系统模型
1.1 能量动态特性能量动态特性
本文所设计的EHWSN结构健康监测系统如图1所示，共安装有N个节点，用以监测结构健康状况。所有节点共用一个能量
采集率为X J/s的能量采集模块。每隔T s，该模块将依据能量管理策略把采集到的能量分配给这N个节点。其中能量采集率X
是非负连续随机变量，服从均匀分布：X～U[a，b]。
每个周期内，节点i将数据发送到目标接收节点j，之间的距离为d
ij
，传输时间为T
i
，其中T
i
≤T，且T
i
为时变参数。同时认为
所有无线节点均工作在最大能耗传输模式，即在每个数据传输周期结束时都耗尽所保存的能量。
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