chapter 1

Posted 2020-09-07

尽管无线传感器网络已经被广泛部署用于监测和监视任务，而它们的性能受到能量和频谱的限制。通过使传感器具有能量和频谱获取能力，新兴的ESH传感器网络能够利用获取的能量访问空闲的授权频谱，因此可以从根本上解决能量局限性问题。在这一章，我们主要介绍ESHSNs的网络结构及其几个主要的应用。然后我们讨论ESHSNs资源分配的问题（具有能量获取功能的传感器网络中的资源分配问题），这也是本书的重点。

 

1.1 无线传感器网络中的资源局限性

随着传感技术、低功耗嵌入式系统和无线通信的发展，无线传感器网络已经成为收集信息和帮助用户（机器或人类）与现实世界进行交互的一种可能的解决方案。如今，传感器已经渗入到越来越多的个人领域，包括汽车、洗衣机、空调等等。根据Frost & Sullivan的一份报告，全球无线传感器网络市场预计在2014-2024年间，将会从14亿上涨至32.6亿。

通常，一个无线传感器由小型化和低端化的由有限容量的电池供能的传感器组成。为了保证长期运作，操作员必须人工更换掉已耗尽的电池，这会导致大量的维护成本。许多节能方案提出，应减少传感器的能量损耗，如压缩传感、合作的多输入多输出、节能的MAC/网络层协议。然而，由于电池容量的局限性引起的WSNs的长期无意识运作的这一难题仍未得到解决。这一问题也被称为能量局限性问题。

此外，传感器网络是通过免费的未授权网连接的，如工业、科学、医学(ISM)频谱。尽管未授权的ISM频谱的应用使得WSNs的到爆炸性部署，其数据传输被其他未授权的无线设备严重干扰，如WI-FI和蓝牙。根据Consumer Electronic Association的一份报告，未授权的无线设备已经在过去的八年里增长了三倍，并且以每年30%的速度在增长.由于未授权设备的增长，越来越多的设备共存于无线传感网络中，这给后者带来了严重的问题。这一问题被称为频谱局限性问题。

1.2 能量和频谱获取技术的引入

资源的局限性很大程度上影响了WSNs的使用寿命和数据收集的性能。为了缓解这一问题，WSNs迫切需要新的能量和频谱来提升网络性能。在这一部分，我们会介绍能量和频谱获取技术，其使得传感器能够利用从周围能量环境中获取的能量和不足的许可频谱。

1.2.1 能量获取

能量获取（EH）使得传感器能够将周围环境中的可再生能量资源转换为电能，如室外情况下的太阳能和风能、在工业环境下的震动和热。EH技术的持续发展EH设备更加的小型化，使其更适合在小型的传感器中应用。依靠特定环境中广泛存在的能量资源，由EH设备提供的能量可以被视为是无限的。因此，EH从根本上解决了能量局限性问题。在设计优良的能量管理策略下，EH供能的WSNs能够实现长时间的运作，并提供高质量的服务。