能量收集认知传感器网络中业务服务质量保障理论研究

With the development of wireless sensor networks, the supported traffic classes are growing. How to guarantee the quality-of-service (QoS) for various classes of traffic is an urgent problem in the development of the sensor network. The energy harvesting technology and the cognitive radio technology are adopted by the sensor network to solve the limited energy constraint and the shortage of spectrum，respectively. However, this adoption causes the time-area coupling between the uncontrollable energy source and the dynamic spectrum, which makes the QoS guarantee become more difficult. In this project, we first derive the relation between upper bounds of QoS metrics and network parameters, such as energy supply rate, the active time of the primary user. Meanwhile, the constraint relation among QoS metrics is obtained. Then, by analyzing the interplay of the energy management and the spectrum sensing mechanism, a network resource management scheme is proposed, which utilizes location and load distribution. This scheme will verify that the upper bound of the QoS metric is achievable. Based on the proposed scheme, by considering the load distribution and the coupling between the uncontrollable energy and the dynamic spectrum, we propose an adaptive and distributed QoS guarantee system with low complexity to provide the QoS guarantee for the various classes of traffic. This system joints power transfer, power control, beamforming and routing. The achievements of our project will offer theoretical basis and important technical support for the development of the wireless sensor network and the implementation of the Internet of Things.

随着传感器网络广泛应用，其承载的业务类型日益丰富，如何为多样化业务提供服务质量保障是传感器网络亟待解决的问题。能量收集技术和认知无线电技术解决传感器网络能源不足和频谱短缺的同时，导致网络能量资源变得随机不可控，频谱资源动态变化，且两者变化相互约束，业务服务质量保障变得更困难。本项目首先分析了能量收集认知传感器网络性能理论上界与认知参数、能量收集参数等参数的关系，刻画出网络性能指标之间的约束机理。然后，通过研究能量管理机制与频谱检测机制的耦合机理，设计一种基于位置信息和业务分布的网络资源管理机制，验证上述网络性能理论界的可达性。基于该资源管理机制，联合电磁充电技术、功率控制、波束赋形、频谱分配和路由协议设计，考虑业务分布、能量和频谱的时空耦合性和动态性，提出了一种分布式低复杂度自适应差异化服务质量保障体系。本项目的研究为传感器网络的发展和物联网的实现奠定了理论基础和提供了重要的技术支撑。

传感器网络负责物联网大部分数据采集和传输，其承载业务日益丰富，如何保障这些业务服务质量是传感器网络亟需解决的难题。本项目通过分析能量收集认知传感器网络性能的影响因素，提出了一系列改善网络性能和提高服务质量保障能力的算法。.首先，本项目分析影响网络性能的因素，并提出改善网络性能的联合优化策略。通过分析自适应调制编码算法的服务质量性能和吞吐量，提出一种联合功率控制、自适应调制编码和自动重传的算法。研究了能量收集认知传感器网络中的频谱和能量约束关系，得到了排队性能与授权用户业务强度以及能量收集效率的关系；能量收集认知传感器节点与授权用户相互协作和不协作时系统的排队性能的比较表明，能量收集效率满足一定条件，网络性能可得到提升；得到了时延与功率分配比例以及物理信道参数之间的关系。所得结果对网络服务质量保障设计具有指导意义。.其次，项目针对覆盖、调度策略及实时资源分配策略进行研究。在基于太阳能供电传感器网络中，设计一种网络布设方案，保证覆盖前提下，有效降低节点数目；设计一种基于传感器位置信息和能量状态的调度算法。设计一种时钟同步方案，根据链路质量信息，确定节点之间的父子从属关系，层层同步，有效地降低同步误差；设计一种按需分配时隙方案，进行数据时隙和控制时隙的分配，使得网络具有应对覆盖区域内局部区域包数量突增的能力，提高了网络鲁棒性；设计一种保障网络覆盖和连通的能效最佳路由协议。所设计算法可有效延长网络生存期，提高服务质量保障能力。.此外，项目对无线可充电传感器网络的充电策略进行了研究。设计一种基于分簇的充电算法，确定小车给各簇的充电顺序，选取最佳充电节点；根据节点与sink节点的距离和节点承担的负载，选择不同的充电方式和进行休眠调度。所设计充电策略可提高充电效率，最大化网络生存期。.根据上述研究结果，已经发表SCI检索论文8篇，中文期刊2篇，申请发明专利3项，培养研究生6名，其中1名已经毕业。