基于携能通信的无线传感器网络能效优化研究

In Wireless sensor networks, the sensor nodes can use simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) technology to harvest energy simultaneously with information receiving, which can effectively prolong the lifetime of wireless sensor networks (WSNs) and improve the energy efficiency. However, the existing SWIPT methods need the wireless sensor nodes equip with a splitter to realize simultaneously information and power transfer, which makes it difficult to realize in the low cost and low complexity WSNs. Our project proposes energy efficiency optimization methods in WSNs based on OFDM SWIPT in physical and network layer, respectively. Firstly, in physical layer, we propose an energy efficiency optimization method based on SWIPT OFDM subcarrier allocation. In this method, the wireless sensor nodes can receive information and power simultaneously without equipping with splitters, which makes it possible to apply SWIPT in WSNs. Secondly, combined with cooperative relay technology, we propose an energy efficiency optimization method based on SWIPT OFDM cooperation in clustered WSNs, which can improve energy efficiency. In network layer, we propose an information and power routing optimization method based on OFDM SWIPT in distributed WSNs, to further improve the lifetime of WSNs. Therefore, this project is predicated to offer an important theoretical foundation for the application of SWIPT in WSNs.

在无线传感器网络中，传感器节点利用携能通信技术可以在提取信息的同时进行能量接收，能够有效延长无线传感器网络的使用寿命。然而，现有携能通信方法需要在传感器节点上增加分配器才能实现信息和能量的同时接收，使之难以在低成本和低复杂度的无线传感器网络中应用。本项目拟分别在物理层和网络层提出基于OFDM携能通信的无线传感器网络能效优化方法。首先，在物理层提出基于OFDM子载波分配的携能通信能效优化方法，传感器节点不需要增加分配器就可以同时进行信息和能量接收，使携能通信技术能够在无线传感器网络中应用。其次，在分簇式传感器网络中结合协作中继技术，提出基于OFDM协作的携能通信能效优化方法，提高无线传感器网络的能量效率。最后，在网络层提出分布式传感器网络中基于OFDM携能通信的信息和能量路由优化方法，进一步提高无线传感器网络的使用寿命。本项目的研究将为携能通信技术在无线传感器网络中的应用提供重要的理论依据。

本项目分别在物理层和网络层提出了基于OFDM携能通信的无线传感器网络能效优化方法，解决了传感器节点需要增加分配器才能实现信息和能量同时接收的问题，有效提高了信息和能量的接收效率，提高了无线传感器网络的使用寿命。本项目首先在物理层提出了基于OFDM子载波分配的携能通信能效优化方法，传感器节点不需要增加分配器就可以同时进行信息和能量接收，使携能通信技术能够在低成本和低复杂度的无线传感器网络中应用。其次，结合协作中继技术，提出了基于OFDM协作的携能通信能效优化方法，协调信息与能量的协同传输，提高无线传感器网络的能量效率。最后，在网络层提出了基于OFDM携能通信的信息和能量路由优化方法，在不同信道条件和储能状况下，对资源进行联合调度控制，选择最佳的信息和能量路由，进一步提高了无线传感器网络的使用寿命。特别的，在本项目中我们综合应用了非线性分式规划、协作机制、分支定界等重要方法，设计了高效、实用且具有很好可扩展性的动态协作无线资源优化管理方法，具有非常好的方法论意义，可被广泛应用于包括无人机通信协同传输调度、移动边缘计算数据卸载管理等重要相关研究领域。.本项目研究成果主要体现在高水平学术研究成果，项目在IEEE Transactions on Communications、IEEE Transactions on Industrial Informatics等通信领域权威期刊上发表SCI期刊论文14篇，在IEEE INFOCOM、ICNC等国际会议上发表EI论文6篇，获得江西省自然科学二等奖等省部级科技奖励3项，国际会议最佳论文奖3篇。此外，我们获得相关授权发明专利3项。通过参与本项目培养博士研究生2人，硕士研究生8人次，其中1人获得浙江省优秀硕士学位论文，2人获得校级优秀硕士论文。