CN105529840B - 一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法 - Google Patents

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本发明涉及一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法。本发明所述工作在分时工作无线传感器网络中能量中继的工作方法，利用SF方式提高对目的节点的能量供给，即中继节点将从源节点接收得到的能量先储存在中继节点蓄电池中，再以提高后的特定功率发射给目的节点；扩大了无线能量传输的距离，提高目的节点获取到的瞬时能量功率，从而保证目的节点能够持续正常工作。

Description

一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法
技术领域
本发明涉及一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，属于无线能量传输和无线传感器网络的技术领域。
背景技术
在无线传感器网络的应用中，传感器节点的电池容量问题是制约其发展的关键因素。在无线传感器网络的应用领域(军事领域和环境监测领域等)，对电池能量耗尽的无线传感器节点进行一一更换是不现实的；虽然无线传感器节点已趋于功耗和体积越来越小，如果只靠自身电源供电其小而灵活的优势将会受到限制。
利用能量获取(Energy Harvesting)技术可以使无线传感器节点从环境中获取能量，具有能量补充的能力，从而使无线传感器节点可以持续工作。能量获取的来源包括：光(由光伏电池捕获)、振动或压力(由压电元件捕获)、温差(由热电发生器捕获)、电磁波能量(微波)等。其中利用微波来传输和获取能量是一种使节点可以无线获取能量的新兴方式，现在的无线传感器节点能以微瓦级平均功率工作并为无线传感器节点供电。
利用微波来传输和获取能量涉及到无线能量传输(Wireless Power Transfer,WPT)，无线能量传输是指能量从能量源传输到电负载的过程，该过程通过无线传输实现。电磁波在能量传输过程中存在能量损耗大，传输效率低的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法。
本发明的技术方案如下：
为直观的描述本发明所述工作在分时工作无线传感器网络中能量中继的工作方法，现构建系统模型(如图1所示)，所述系统模型包含源节点、目的节点和中继节点，源节点到中继节点以及中继节点到目的节点的距离分别为d1、d2；假设信道模型是基于理想条件下的自由空间电波传播模型。
一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，包括步骤如下：
1)源节点为中继节点发送能量；源节点通过微波向对中继节点不间断传输能量；
2)中继节点将接收到的能量储存在中继节点蓄电池中；当中继节点蓄电池的电量大于等于阈值Px时，中继节点开始向目的节点发送能量；
3)目的节点接收中继节点发送过来的能量并将其用于自身的正常工作。目的节点接收中继节点发送过来的能量，该能量的瞬时功率满足目的节点的正常工作需求功率，从而维持目的节点能够长时间正常工作。
优选的，源节点为中继节点发送能量的方式，中继节点向目的节点发送能量的方式均为存储转发(store and forward，SF)方式。
优选的，中继节点的接收功率和中继节点的发射功率应满足的条件为：
(Pr1-Pc)μT≥Pt2t，其中，Pr1为中继节点的接收功率，Pc为中继节点自身的消耗功率，μ为中继节点蓄电池的转化效率，Pt2为中继节点的发射功率，T为源节点为中继节点供能时间，t为目的节点的工作时间。在中继节点放大转发能量的过程中能量是有损耗的。
进一步优选的，中继节点的接收功率和目的节点的接收功率的计算方法为，利用Friis传输公式计算：则：其中，Pr2为目的节点的接收功率，Pd为目的节点自身工作消耗的功率。
优选的，中继节点在分时工作的目的节点的工作时间为目的节点传输能量。利用SF方式对能量进行中继来扩大能量的传输距离中间存在能量损耗，所以在这种方式下中继节点很难(除非距离足够近)一直为目的节点提供能量，采用分时转发的方式可以解决上述问题。
本发明的有益效果：
1、本发明所述分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，利用微波为无线传感器网络中的节点提供能量，通过引入中继(Relay)来扩大无线能量的传输距离，并有效克服了传输过程中能量损耗大、传输效率低等问题；
2、本发明所述分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，利用SF方式提高对目的节点的能量供给，即中继节点将从源节点接收得到的能量先储存在中继节点蓄电池中，再以提高后的特定功率发射给目的节点；扩大了无线能量传输的距离，提高目的节点获取到的瞬时能量功率，从而保证目的节点能够持续正常工作。
附图说明
图1为本发明所述系统模型的结构示意图；
图2为无线能量中继的结构示意图；
图3为使用中继和未使用中继时目的节点所接收到能量瞬时功率的对比图；
图4为目的节点所接收到的能量瞬时功率随距离的变化关系图；
图5为中继节点为目的节点的供能时间图；
图6为中继节点位置对到达目的节点的能量瞬时功率的影响。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
实施例1
如1-6图所示。
一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，包括步骤如下：
1)源节点为中继节点发送能量；源节点通过微波向对中继节点不间断传输能量；
2)中继节点将接收到的能量储存在中继节点蓄电池中；当中继节点蓄电池的电量大于等于阈值Px时，中继节点开始向目的节点发送能量；
3)目的节点接收中继节点发送过来的能量并将其用于自身的正常工作。目的节点接收中继节点发送过来的能量，该能量的瞬时功率满足目的节点的正常工作需求功率，从而维持目的节点能够长时间正常工作。
实施例2
如实施例1所述分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，其区别在于，源节点为中继节点发送能量的方式，中继节点向目的节点发送能量的方式均为放大转发方式。
实施例3
如实施例1所述的分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，其区别在于，中继节点的接收功率和中继节点的发射功率应满足的条件为：(Pr1-Pc)μT≥Pt2t，其中，Pr1为中继节点的接收功率，Pc为中继节点自身的消耗功率，μ为中继节点蓄电池的转化效率，Pt2为中继节点的发射功率，T为源节点为中继节点供能时间，t为目的节点的工作时间。在中继节点放大转发能量的过程中能量是有损耗的。
实施例4
如实施例3所述的分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，其区别在于，中继节点的接收功率和目的节点的接收功率的计算方法为，利用Friis传输公式计算：则：其中，Pr2为目的节点的接收功率，Pd为目的节点自身工作消耗功的率。
实施例5
如实施例1所述的分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，其区别在于，中继节点在分时工作的目的节点的工作时间为目的节点传输能量。利用SF方式对能量进行中继来扩大能量的传输距离中间存在能量损耗，所以在这种方式下中继节点很难(除非距离足够近)一直为目的节点提供能量，采用分时转发的方式可以解决上述问题。
如图4的比可知，通过实施例1-5所述的分时工作无线传感器网络中的能量中继方法能对目的节点进行供能产生较好的效果。

Claims (2)

1.一种分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，其特征在于，包括步骤如下：
1）源节点为中继节点发送能量；源节点通过微波向中继节点不间断传输能量；
2）中继节点将接收到的能量储存在中继节点蓄电池中；当中继节点蓄电池的电量大于等于阈值Px时，中继节点开始向目的节点发送能量；
3）目的节点接收中继节点发送过来的能量并将其用于自身的正常工作；
中继节点的接收功率和中继节点的发射功率应满足的条件为：，其中，Pr1为中继节点的接收功率，Pc为中继节点自身的消耗功率，μ为中继节点蓄电池的转化效率，Pt2为中继节点的发射功率，T为源节点为中继节点供能时间，t为目的节点的工作时间；中继节点的接收功率和目的节点的接收功率的计算方法为，利用Friis传输公式：计算，则：，其中，Pr2为目的节点的接收功率，Pd为目的节点自身工作消耗的功率；中继节点在分时工作的目的节点的工作时间为目的节点传输能量。
2.根据权利要求1所述的分时工作无线传感器网络中的能量中继方法，其特征在于，源节点为中继节点发送能量的方式，中继节点向目的节点发送能量的方式均为存储转发方式。
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