CN105451292B - WRSNs中基于网格结构的分层网络充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种WRSNs中基于网格结构的分层网络充电方法及系统，本分层网络充电方法包括：步骤S1，构建分层网络；步骤S2，在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电。本发明充分利用了层次型网络拓扑的优势提高网络本身的路由性能；并且实现了节点能量的及时补给保证每个网格中节点的剩余能量总是高于给定阈值，从而使网络运行在高效状态、延长了网络生命期；另外，本发明还具有计算简单的优点，能满足大规模网络应用。

Description

WRSNs中基于网格结构的分层网络充电方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络充电技术，具体地本发明涉及一种在网格划分基础上根据节点的能量消耗和充电器的移动速度决定充电器在各个网格中的充电时间达到均衡网络中节点能量消耗、延长网络生命期的方法及系统。

背景技术

由于传统无线传感器网络中传感网节点的电量有限、电池更换困难，随着网络的运行和节点能量的耗尽，容易造成网络分区和网络性能的下降。无线可充电传感器网络(WRSNs)通过无线的方式对网络中的节点进行能量的补给，有效的缓解因节点能量耗尽导致的网络性能降低问题，延长了网络生命期。

虽然WRSNs中无线充电算法研究取得了很大进展，但仍存在以下问题：

1、多采用平面型网络拓扑，没有充分利用层次型网络拓扑的优势提高网络本身的路由性能；

2、计算复杂，控制开销较大，无法满足大规模的网络应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种分层网络充电方法及系统，以缓解传统无线传感器网络中节点因能量耗尽导致的网络性能下降和网络寿命较短问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种分层网络充电方法，包括如下步骤：

步骤S1，构建分层网络；

步骤S2，在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电。

进一步，所述步骤S1中构建分层网络，即在矩形部署区域内建立起基于网格结构的分层网络，各传感器节点计算自己的层级号并构建各传感器节点与Sink节点间的路由路径；以及

步骤S2中在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电，即充电器沿预设轨迹、速度移动，依次在各网格的中心点处停留，为该网格中的传感器节点充电，并在完成对当前网格中传感器节点的充电后，继续移向下一个网格进行充电。

进一步，所述建立基于网格结构的分层网络的方法包括：

步骤S11,在L*L的矩形部署区域采用笛卡尔坐标系，以网络的中心为坐标原点；

步骤S12，根据传感器节点的通信半径R_sensor、充电器充电半径R_charger，将整个网络划分为若干个正方形且边长为α的网格，各传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出相应的层级号。

进一步，传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出层级号的方法包括：

设传感器节点i的坐标为(x_i,yi)，则传感器节点i所属层级号H_i为：

式(1)中，| |为取绝对值，为上取整，x_i、y_i为传感器节点i的横坐标和纵坐标。

进一步，所述步骤S1中各传感器节点构建与Sink节点间的路由路径的方法包括：

传感器节点适于选择邻居传感器节点中位于下一层级的剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点为自己的下一跳传感器节点，即

第H_i+1层传感器节点适于选择第H_i层中剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点作为自己的下一跳传感器节点；

传感器节点能量消耗模型为：

E_c＝e*(k_r+k_t) (2)

式(2)中，E_c为传感器节点i接收k_r比特和发送k_t比特数据所消耗的能量，e为传感器节点中接收器电路中每比特的能量消耗因子。

进一步，预设轨迹为在H_i层沿该层各网格的各中心处移动后，转至H_i+1层，同样沿该层各网格的各中心处移动，且从第H₁层出发直到遍历所有网格；设预设速度v_charger，以及在各网格的中心点处的停留时间t_dwell；

所述停留时间t_dwell适于根据设定的节点剩余能量阈值E_th进行确定，即

使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值E_th；

充电器适于通过电磁感应充电技术对传感器节点进行无线能量补充，传感器节点的接收功率

其中，λ是电磁波信号的波长，d是发送方和接收方之间的距离，发送方为充电器，接收方为传感器节点。

进一步，设分层网络中各传感器节点的剩余能量为E_r＝E_i-E_c+E_obtain，

其中E_i、E_c和E_obtain分别表示传感器节点初始能量、传感器节点消耗的能量和传感器节点从无线充电器中获得的能量；以及

为使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值，即E_r>E_th作为约束条件与预设速度v_charger计算出在各网格停留时间t_dwell，以使对该网格中的传感器节点进行无线充电后，该传感器节点的剩余能量不低于给定阈值E_th。

进一步，所述停留时间t_dwell的计算方法包括：

充电器的移动路径长度L_charger为

传感器节点的能量消耗E_c为

任意第H_i层中的节点剩余能量均应大于给定阈值，即

对于式(7)，设充电器在分层网络中移动但不进行充电时t_dwell＝0，t＝L_charger/v_charger，进而获取充电器移动速度v_charger的下限值；

第H_i层中网格的个数为：

由于将E_r>E_th作为约束条件，且E_r＝E_i-E_c+E_obtain，即得出

E_i-E_c+E_obtain>E_th (9)

传感器节点从充电器处获得的能量E_obtain为

将上述公式(4)、(10)代入公式(9)得

进而得出停留时间t_dwell的计算方程，即

式(9)中C_i∈N₊为充电器沿预定轨迹移动充电的周期数。

又一方面，本发明还提供了一种分层网络充电系统。

所述分层网络充电系统适于建立分层网络，且根据分层网络控制充电器对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电。

进一步，所述分层网络充电系统适于建立分层网络，即在矩形部署区域内建立起基于网格结构的分层网络，各传感器节点计算自己的层级号并构建各传感器节点与Sink节点间的路由路径；以及根据分层网络控制充电器对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电，即充电器沿预设轨迹、速度移动，依次在各网格的中心点处停留，为该网格中的传感器节点充电，并在完成对当前网格中传感器节点的充电后，继续移向下一个网格进行充电。

本发明的有益效果是，本发明充分利用了层次型网络拓扑的优势提高网络本身的路由性能；并且实现了节点能量的及时补给保证每个网格中节点的剩余能量总是高于给定阈值，从而使网络运行在高效状态、延长了网络生命期；另外，本发明还具有计算简单的优点，能满足大规模网路应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为网络模型；

图2为充电器按照预定轨迹移动的示意图；

图3为充电器按照预定轨迹在分层网络中移动轨迹示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

本发明的原理是：在构建分层网路的基础上，根据传感器节点的能量消耗，在给定的充电器预设轨迹、移动速度的基础上计算得到充电器在各网格中的停留时间(网格的中心处停留，也可以称为驻留点)，使传感器节点的剩余能量不低于给定阈值，从而保证网络的有效运行。

实施例1

如图1至图3所示，本实施例1提供了一种分层网络充电方法，包括如下步骤：

步骤S1，构建分层网络；以及步骤S2，在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电。

具体的，所述步骤S1中构建分层网络，即在矩形部署区域内建立起基于网格结构的分层网络，各传感器节点计算自己的层级号并构建各传感器节点与Sink节点间的路由路径。

以及步骤S2中在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电，即充电器沿预设轨迹、速度移动，依次在各网格的中心点处停留，为该网格中的传感器节点充电，并在完成对当前网格中传感器节点的充电后，继续移向下一个网格进行充电。

所述建立基于网格结构的分层网络的方法包括：

步骤S11,在L*L的矩形部署区域采用笛卡尔坐标系，以网络的中心为坐标原点；步骤S12，根据传感器节点的通信半径R_senso_r、充电器充电半径R_charger，将整个网络划分为若干个正方形且边长为α的网格，各传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出相应的层级号。

进一步，传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出层级号的方法包括：设传感器节点i的坐标为(x_i,y_i)，则传感器节点i所属层级号H_i为：

式(1)中，| |为取绝对值，为上取整，x_i、y_i为传感器节点i的横坐标和纵坐标。

进一步，所述步骤S1中各传感器节点构建与Sink节点间的路由路径的方法包括：传感器节点适于选择邻居传感器节点中位于下一层级的剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点为自己的下一跳传感器节点，即

第H_i+1层传感器节点适于选择第H_i层中剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点作为自己的下一跳传感器节点；

传感器节点能量消耗模型为：

E_c＝e*(k_r+k_t) (2)

式(2)中，E_c为传感器节点i接收k_r比特和发送k_t比特数据所消耗的能量，e为传感器节点中接收器电路中每比特的能量消耗因子。

进一步，预设轨迹为在H_i层沿该层各网格的各中心处移动后，转至H_i+1层，同样沿该层各网格的各中心处移动，且从第H₁层出发直到遍历所有网格；设预设速度v_charger，以及在各网格的中心点处的停留时间t_dwell。

所述停留时间t_dwell适于根据设定的节点剩余能量阈值E_th进行确定，即使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值E_th；充电器适于通过电磁感应充电技术对传感器节点进行无线能量补充，传感器节点的接收功率其中，λ是电磁波信号的波长，d是发送方和接收方之间的距离，发送方为充电器，接收方为传感器节点。并且传感器节点的接收功率随着距离的增大急剧下降，当超过一定阈值时接收功率可忽略不计，该阈值R_th为充电器的充电半径。

其中，预设轨迹还可以采用且不限于Scan路径或Double Scan路径等方式。

进一步，设分层网络中各传感器节点的剩余能量为E_r＝E_i-E_c+E_obtain，

其中E_i、E_c和E_obtain分别表示传感器节点初始能量、传感器节点消耗的能量和传感器节点从无线充电器中获得的能量；以及为使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值，即E_r>E_th作为约束条件与预设速度v_charger计算出在各网格停留时间t_dwell，以使对该网格中的传感器节点进行无线充电后，该传感器节点的剩余能量不低于给定阈值E_th，从而保证网络的有效运行和网络生命期的延长。

进一步，所述停留时间t_dwell的计算方法包括：

充电器的移动路径长度L_charger为

传感器节点的能量消耗E_c为

任意第H_i层中的节点剩余能量均应大于给定阈值，即

对于式(7)，设充电器在分层网络中移动但不进行充电时t_dwell＝0，t＝L_charger/v_charger，进而获取充电器移动速度v_charger的下限值；

第H_i层中网格的个数为：

由于将E_r>E_th作为约束条件，且E_r＝E_i-E_c+E_obtain，即得出

E_i-E_c+E_obtain>E_th (9)

传感器节点从充电器处获得的能量E_obtain为

将上述公式(4)、(10)代入公式(9)得

进而得出停留时间t_dwell的计算方程，即

式(9)中C_i∈N₊为充电器沿预定轨迹移动充电的周期数。

实施例2

如图1至图3所示，在实施例1基础上，本实施例2提供了一种分层网络充电系统，所述分层网络充电系统适于建立分层网络，且根据分层网络控制充电器对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电。

进一步，所述分层网络充电系统适于建立分层网络，即

在矩形部署区域内建立起基于网格结构的分层网络，各传感器节点计算自己的层级号并构建各传感器节点与Sink节点间的路由路径；以及

根据分层网络控制充电器对分层网络中各传感器节点依次、分别进行充电，即

充电器沿预设轨迹、速度移动，依次在各网格的中心点处停留，为该网格中的传感器节点充电，并在完成对当前网格中传感器节点的充电后，继续移向下一个网格进行充电。

其中，关于分层网络充电系统中关于传感器节点的充电时间，即为充电器的停留时间t_dwell，该停留时间t_dwell的计算方法详见实施例1的相关内容，这里不再重复。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (1)

1.一种分层网络充电方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，构建分层网络；

步骤S2，在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点依次进行充电；

所述步骤S1中构建分层网络，即

在矩形部署区域内建立起基于网格结构的分层网络，各传感器节点计算自己的层级号并构建各传感器节点与Sink节点间的路由路径；以及

步骤S2中在分层网络基础上对分层网络中各传感器节点分别进行充电，即

充电器沿预设轨迹、速度移动，依次在各网格的中心点处停留，为该网格中的传感器节点充电，并在完成对当前网格中传感器节点的充电后，继续移向下一个网格进行充电；

所述建立基于网格结构的分层网络的方法包括：

步骤S11，在L*L的矩形部署区域采用笛卡尔坐标系，以网络的中心为坐标原点；

步骤S12，根据传感器节点的通信半径R_sensor、充电器充电半径R_charger，将整个网络划分为若干个正方形且边长为α的网格，各传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出相应的层级号；

传感器节点适于在分层网络中根据自己的位置信息计算出层级号的方法包括：

设传感器节点i的坐标为(x_i,y_i)，则传感器节点i所属层级号H_i为：

式(1)中，| |为取绝对值，为上取整，x_i、y_i为传感器节点i的横坐标和纵坐标；

所述步骤S1中各传感器节点构建与Sink节点间的路由路径的方法包括：

传感器节点适于选择邻居传感器节点中位于下一层级的剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点为自己的下一跳传感器节点，即

第H_i+1层传感器节点适于选择第H_i层中剩余能量最大且距离Sink节点最近的传感器节点作为自己的下一跳传感器节点；

传感器节点能量消耗模型为：

E_c＝e*(k_r+k_t) (2)

式(2)中，E_c为传感器节点i接收k_r比特和发送k_t比特数据所消耗的能量，e为传感器节点中接收器电路中每比特的能量消耗因子；

预设轨迹为在H_i层沿该层各网格的各中心处移动后，转至H_i+1层，同样沿该层各网格的各中心处移动，且从第H₁层出发直到遍历所有网格；设预设速度v_charger，以及在各网格的中心点处的停留时间t_dwell；

所述停留时间t_dwell适于根据设定的节点剩余能量阈值E_th进行确定，即

使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值E_th；

充电器适于通过电磁感应充电技术对传感器节点进行无线能量补充，传感器节点的接收功率

其中，P₀为充电器的充电功率，λ是电磁波信号的波长，d是发送方和接收方之间的距离，发送方为充电器，接收方为传感器节点；

设分层网络中各传感器节点的剩余能量为E_r＝E_i-E_c+E_obtain，

其中E_i、E_c和E_obtain分别表示传感器节点初始能量、传感器节点消耗的能量和传感器节点从无线充电器中获得的能量；以及

为使网络中消耗能量最快的传感器节点的剩余能量在充电器对其充电前不低于给定阈值，即E_r>E_th作为约束条件与预设速度v_charger计算出在各网格停留时间t_dwell，以使对该网格中的传感器节点进行无线充电后，该传感器节点的剩余能量不低于给定阈值E_th；

所述停留时间t_dwell的计算方法包括：

充电器的移动路径长度L_charger为

传感器节点在一个充电周期的能量消耗E_c为：

任意第H_i层中的节点剩余能量均应大于给定阈值，即

公式(6)、(7)中T_upload为节点上传数据的周期，t_move表示充电器仅移动不在驻点驻留情况下从第一个网格的中心点到最后一个网格的中心点所用时间；设充电器在分层网络中移动但不进行充电时t_dwell＝0，则t＝L_charger/v_charger，进而获取充电器移动速度v_charger的下限值；

第H_i层中网格的个数为：

由于将E_r>E_th作为约束条件，且E_r＝E_i-E_c+E_obtain，即得出

E_i-C_iE_c+E_obtain>E_th (9)

传感器节点从充电器处获得的能量E_obtain为

将上述公式(4)、(10)代入公式(9)得

进而得出停留时间t_dwell的计算方程，即

式(9)中C_i∈N₊为充电器沿预定轨迹移动充电的周期数。