MANET中基于电池模型的速率选择技术的研究

论文摘要

在无线Ad Hoc网络中，为了实现服务的移动性，节点大多采用电池供能。而电池的容量有限，因此所能提供的能量也十分有限，并不能完全满足用户的期望。为了解决这个问题，一般采用两种方案：(1)扩大电池的容量(即延长待机时间)；(2)采用节能技术，减小电池能耗速度。实际上，电池研究在近几年取得了很大的进展，各大电池生产商陆续推出了各种体积小、容量大的新型电池。但是，由于受限于材料科学的发展，相同重量电池所能携带的电量已经很难在短时间内再有突破性提高。因此，采用节能技术将是解决这一矛盾的现实、可行的方法。此外，在许多应用中，更换电池或给电池重新充电是不现实的(如军事应用)。因此，如何有效地、科学地使用有限的能量成了Ad Hoc网络应用中最为关键的技术之一。在为Ad Hoc网络设计节能方案的过程中，为供能电池建立一个科学、合理的放电模型极为重要。电池是一种能量转化与储存的装置，它主要通过化学反应将化学能或物理能转化为电能。大量研究表明，在实际应用中，电池的放电过程具有非线性特征。一般而言，在放电后期，电池进入“疲劳期”，除了正常供能外，电池还存在额外的放电损耗(Discharging Loss)；不过，如果电池放电完毕后留有空闲时间段，电池会自动转入“自恢复”状态，这部分额外耗散的能量可以在这一过程中得到恢复。本文首先建立了一个新的数学模型来为描述电池在放电过程中的非线性特性，尤其是电池能量的额外损耗现象。与已有的模型相比，该模型不仅能较为准确地计算出在一段时间内电池能量的额外损耗量，还具有计算复杂度低、计算开销小等特点，在Ad Hoc网络应用中具有很强的实用性。在充分考虑电池的非现性放电特性的基础上，本文还提出了一种新的节能方案：基于电池模型的速率选择机制，即节点在发送数据包时，根据当前网络状态、节点的剩余能量以及供能电池的自恢复速度等特性来选择一个最优的传输比率值，使得完成当前传输所耗用的节点或链路的能量最小，从而达到节省能耗、延长网络寿命的目的。仿真结果表明，本文提出的速率选择算法具有完全分布式的特点；同时极大地减少了网络节点的供能电池在放电过程中能量的额外耗散，能有效地延长整个网络的生命周期。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1. Introduction
• 1.1 Research Scope and Problem Identification
• 1.2 Research Objectives
• 1.3 Structure and Contributions of the Thesis
• 2. Background
• 2.1 Overview of Battery Technologies
• 2.2 Principles of Battery Discharge
• 2.3 Impact of Discharge Characteristics on Battery Capacity
• 2.3.1 Rate Capacity Effects
• 2.3.2 Recovery Effects
• 2.4 Analytical Battery Model
• 2.5 Rate Selection Schemes in Wireless Ad Hoc Networks
• 3. On-Line Mathematical Model for Battery Discharging Loss
• 3.1 Introduction
• 3.2 Battery Discharging Loss
• 3.3 On-line Model for Battery Discharging Loss
• 3.4 Conclusion
• 4. EERS: Energy Efficient Rate Selection Approach for Wireless Battery Operated Networks
• 4.1 Introduction
• 4.2 Basic assumptions
• 4.2.1 Network Topology
• 4.2.2 Traffic Arriving Process
• 4.2.3 Node State
• 4.3 EERS: An Energy Efficient Rate Selection Approach
• 4.3.1 Rate Selection Model
• 4.3.2 Optimization Problem:
• 4.3.3 Rate selection algorithm
• 4.3.4 Discussion on the energy-delay tradeoff
• 4.4 Performance Evaluation
• 4.4.1 Numerical Examples
• 4.4.2 Simulation Investigation
• 4.5 Conclusion
• 5. Conclusion
• References
• 在校期间发表的论文、科研成果等
• 致谢