CN105550480A - 一种射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法 - Google Patents

Abstract

一种射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法，从无线传感网没有射频能量源该初始状态开始，反复执行以下两部分操作：增加部署一个新能量源和能量源位置改善。新增加的能量源放置在有效提高节点能量捕获功率的位置。能量源位置改善操作是迭代地改善当前已有能量源的位置，以得到已有能量源的较优部署。当能量源位置改善操作结束后计算出每个节点的能量捕获功率，如果所有节点的能量捕获功率满足需求则意味着当前能量源的部署已经符合需求，布置方法结束。本发明提供一种有效适用于网络中节点能量捕获功率需求不一样的情况、成本较低的射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法。

Description

一种射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的贪婪式能量源数目最少化布置方法，该方法适用于传感器节点能够捕获射频能量的无线传感器网络。

背景技术

集成了能量收集模块的传感器节点具有从环境中捕获能量的功能。这类新型传感器节点可以在工作的同时从自然界吸收某种能量，比如太阳能、风能、振动能等，从而克服了传统的电池供电的传感器节点所存在的能源约束问题。

由于电磁波的广泛存在，目前最有应用前景的环境能源之一是射频能源。具有捕获射频能量功能的传感器节点将射频能量转化成电能为节点供电，它们之间通过无线通信方式相互联系起来构成射频能量捕获无线传感网(RF-energyharvestingwirelesssensornetworks,RF-HWSN)。设计该类网络时，一个主要的问题是如何布置射频能量发送源，使得每个传感器节点能量捕获的输出功率(后面简称为捕获功率)大于等于其功率需求即捕获功率大于某个值，在满足该需求时要最小化射频能量发送源的个数。

目前为止，已经有少数文献研究了射频能量发送源放置问题。有文献考虑了只有单个射频能量源且该能量源可以移动的场景，研究了该能量源的最优访问地点以最大化用户自定义任务的收益(参见《Mission-awareplacementofRF-basedpowertransmittersinwirelesssensornetworks》，刊于IEEEISCC，2012)；有文献考虑能量发送源移动的场景，研究能量源的停留位置和相应的停留时间，使得网络中所有的传感器节点充电的总时延最小化(参见《Minimizingchargingdelayinwirelessrechargeablesensornetworks》，刊于IEEEINFOCOM，2013)。不过这些已有的研究都是针对所有传感器节点具有相同的能量捕获功率需求该场景。

发明内容

为了克服现有的能量源布置方法无法适用于网络中节点能量捕获功率需求不一样的不足，本发明提供一种有效适用于网络中节点能量捕获功率需求不一样的情况、成本较低的射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法。

为了解决上述技术问题提供了如下技术方案：

一种射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法，包括以下步骤：

1)首先根据无线传感网中N个给定位置的能够捕获射频能量的传感器节点坐标，来计算出这N个节点的最小覆盖圆圆心；其中，N是传感器节点总个数，N个节点的最小覆盖圆是指覆盖了所有N个节点且具有最小半径的圆；

2)将第一个射频能量发送源放置在最小覆盖圆的圆心位置，即定下第一个射频能量发送源的坐标值且将射频能量发送源的个数K设置为1；

3)进行能量源位置改善操作以得到单个射频能量发送源的最终布置；

4)为每个节点n_i计算捕获能量比值，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则结束操作，否则继续执行步骤5)；

5)增加布置一个新的射频能量发送源，将其放在捕获能量比值最低的节点坐标位置处，即定下第K+1个射频能量发送源坐标的值，然后设置K←K+1；

6)进行能量源位置改善操作以得到K个射频能量发送源的最终布置；

7)为每个节点n_i计算捕获能量比值，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则结束操作，否则继续执行步骤5)。

进一步地，步骤4)和步骤7)中，所述为节点n_i计算捕获能量比值包括以下操作步骤：

(2.1)根据公式(1)计算节点n_i从K个射频能量发送源捕获的总的功率

$p_h^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}\mathrm{\η}\frac{G_s{G}_r}{L_p}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πd}}_{i,j}}\right)}^2{P}_t---\left(1\right)$

其中η是整流效率，G_s是源天线增益，G_r是接收天线增益，L_p是极化损耗，λ是波长，d_i,j是节点n_i与第j个射频能量发送源之间的距离，P_t是射频能量发送源的发送功率；

(2.2)根据公式(2)计算节点n_i的捕获能量比值R_i,

$R_i=\frac{p_h^{\left(i\right)}}{p_{min}^{\left(i\right)}}---\left(2\right)$

其中，是节点n_i的捕获功率需求，即节点n_i的捕获功率必须大于等于

进一步地，步骤3)和步骤6)中，所述能量源位置改善操作包括以下操作步骤：

(3.1)为每个节点n_i计算捕获能量比值，接着找出捕获能量比值最小的节点，将参数R^*的值设置为该节点的捕获能量比值；

(3.2)统计能量捕获功率比值小于1的未达标节点的个数L，如果L＝0，则结束能量源位置改善操作，否则将这L个未达标节点根据捕获能量比值从小到大排序；

(3.3)将所有射频能量发送源初始化为未匹配状态，然后按i＝1到i＝L的顺序，在未匹配的射频能量发送源中寻找离S_i最近的射频能量发送源，其中S_i是排序后的第i个未达标节点，并将该射频能量发送源匹配给S_i；

(3.4)对于每个被匹配的能量源T_j，将T_j向它的匹配节点移动Δd，其中参数Δd的值是预先设置好的，它的取值越小则能得到越好的能量源位置，但是能量源位置改善操作的执行时间也会越长；

(3.5)为每个节点n_i计算捕获能量比值，接着找出捕获能量比值最小的节点，如果该节点的捕获能量比值大于R^*的值，则将R^*的值更新该节点的捕获能量比值，然后回到步骤(3.2)，否则能量源位置改善操作结束。

本发明的有益效果为：本发明通过贪婪式方法布置能量源，该方法利用节点捕获功率与节点功率需求该比值来准确刻画出节点的捕获功率欠缺程度，有效地确定射频能量源的位置，最小化了能量源的个数，节省了经济成本。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明。

一种射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法，包括以下步骤：

1)首先根据无线传感网中N个给定位置的能够捕获射频能量的传感器节点坐标，来计算出这N个节点的最小覆盖圆圆心；其中，N是传感器节点总个数，N个节点的最小覆盖圆是指覆盖了所有N个节点且具有最小半径的圆；

2)将第一个射频能量发送源放置在最小覆盖圆的圆心位置，即定下第一个射频能量发送源的坐标值且将射频能量发送源的个数K设置为1；

3)进行能量源位置改善操作以得到单个射频能量发送源的最终布置；

4)为每个节点n_i计算捕获能量比值，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则结束操作，否则继续执行步骤(5)；

5)增加布置一个新的射频能量发送源，将其放在捕获能量比值最低的节点坐标位置处，即定下第K+1个射频能量发送源坐标的值，然后设置K←K+1；

6)进行能量源位置改善操作以得到K个射频能量发送源的最终布置；

7)为每个节点n_i计算捕获能量比值，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则结束操作，否则继续执行步骤5)。

进一步地，所述步骤(1.4)和步骤(1.7)中，所述为节点n_i计算捕获能量比值包括以下操作步骤：

(2.1)根据公式(3)计算节点n_i从K个射频能量发送源捕获的总的功率

$p_h^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}\mathrm{\η}\frac{G_s{G}_r}{L_p}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πd}}_{i,j}}\right)}^2{P}_t---\left(3\right)$

其中，η是整流效率，G_s是源天线增益，G_r是接收天线增益，L_p是极化损耗，λ是波长，d_i,j是节点n_i与第j个射频能量发送源之间的距离，P_t是射频能量发送源的发送功率；

(2.2)根据公式(4)计算节点n_i的捕获能量比值R_i,

$R_i=\frac{p_h^{\left(i\right)}}{p_{\min }^{\left(i\right)}}---\left(4\right)$

其中，是节点n_i的捕获功率需求，即节点n_i的捕获功率必须大于等于

进一步地，所述步骤(1.3)和步骤(1.6)中，所述能量源位置改善操作包括以下操作步骤：

(3.1)为每个节点n_i计算捕获能量比值，接着找出捕获能量比值最小的节点，将参数R^*的值设置为该节点的捕获能量比值；

(3.2)统计能量捕获功率比值小于1的未达标节点的个数L，如果L＝0，则结束能量源位置改善操作，否则将这L个未达标节点根据捕获能量比值从小到大排序；

(3.3)将所有射频能量发送源初始化为未匹配状态，然后按i＝1到i＝L的顺序，在未匹配的射频能量发送源中寻找离S_i最近的射频能量发送源，其中S_i是排序后的第i个未达标节点，并将该射频能量发送源匹配给S_i；

(3.4)对于每个被匹配的能量源T_j，将T_j向它的匹配节点移动Δd，其中参数Δd的值是预先设置好的，它的取值越小则能得到越好的能量源位置，但是能量源位置改善操作的执行时间也会越长；

(3.5)为每个节点n_i计算捕获能量比值，接着找出捕获能量比值最小的节点，如果该节点的捕获能量比值大于R^*的值，则将R^*的值更新该节点的捕获能量比值，然后回到步骤(3.2)，否则能量源位置改善操作结束。

针对给定每个传感器节点物理位置的无线传感器网络来说明本发明的具体实施方案。

首先说明第一个能量源的初始位置摆放。根据无线传感网中N个给定位置的能够捕获射频能量的传感器节点坐标，来计算出这N个节点的最小覆盖圆圆心。接着将第一个射频能量发送源放置在最小覆盖圆的圆心位置，即定下第一个射频能量发送源的坐标值且将射频能量发送源的个数K设置为1。并进行能量源位置改善操作以得到单个射频能量发送源的最终布置，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则意味着已经满足所有节点的捕获功率需求，布置方法结束。否则继续进行下面操作。

反复执行两部分操作：增加布置一个新能量源(能量源个数K增加1)和能量源位置改善。新增加的能量源放置在捕获能量比值最小的节点所在的位置。能量源位置改善操作是不断地改善当前已经布置的K个能量源的位置，即不断地改善捕获能量比值最小的节点，从而最终得到K个能量源的较优布置。每一回能量源位置改善操作结束后计算出所有节点中的最低捕获能量比值，如果最低捕获能量比值大于等于1则意味着K个能量源的布置已经满足所有节点的捕获功率需求，布置方法结束。

Claims (3)

1.一种射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法，其特征在于：所述布置方法包括以下步骤：

1)首先根据无线传感网中N个给定位置的能够捕获射频能量的传感器节点坐标，来计算出这N个节点的最小覆盖圆圆心；其中，N是传感器节点总个数，N个节点的最小覆盖圆是指覆盖了所有N个节点且具有最小半径的圆；

2)将第一个射频能量发送源放置在最小覆盖圆的圆心位置，即定下第一个射频能量发送源的坐标值且将射频能量发送源的个数K设置为1；

3)进行能量源位置改善操作以得到单个射频能量发送源的最终布置；

4)为每个节点n_i计算捕获能量比值，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则结束操作，否则继续执行步骤5)；

5)增加布置一个新的射频能量发送源，将其放在捕获能量比值最低的节点坐标位置处，即定下第K+1个射频能量发送源坐标的值，然后设置K←K+1；

6)进行能量源位置改善操作以得到K个射频能量发送源的最终布置；

7)为每个节点n_i计算捕获能量比值，如果所有节点的捕获能量比值都大于等于1则结束操作，否则继续执行步骤5)。

2.如权利要求1所述的射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法，其特征在于：步骤4)和步骤7)中，所述为节点n_i计算捕获能量比值包括以下操作步骤：

(2.1)根据公式(1)计算节点n_i从K个射频能量发送源捕获的总的功率

$p_h^{\left(i\right)}=\underset{j=1}{\overset{K}{\Σ}}\mathrm{\η}\frac{G_s{G}_r}{L_p}{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{4{\mathrm{\πd}}_{i,j}}\right)}^2{P}_t---\left(1\right)$

其中，η是整流效率，G_s是源天线增益，G_r是接收天线增益，L_p是极化损耗，λ是波长，d_i,j是节点n_i与第j个射频能量发送源之间的距离，P_t是射频能量发送源的发送功率；

(2.2)根据公式(2)计算节点n_i的捕获能量比值R_i,

$R_i=\frac{p_h^{\left(i\right)}}{p_{\min }^{\left(i\right)}}---\left(2\right)$

其中，是节点n_i的捕获功率需求，即节点n_i的捕获功率必须大于等于

3.如权利要求1或2所述的射频能量捕获无线传感网的贪婪式能量源最少化布置方法，其特征在于：，步骤3)和步骤6)中，所述能量源位置改善操作包括以下操作步骤：

(3.1)为每个节点n_i计算捕获能量比值，接着找出捕获能量比值最小的节点，将参数R^*的值设置为该节点的捕获能量比值；

(3.2)统计能量捕获功率比值小于1的未达标节点的个数L，如果L＝0，则结束能量源位置改善操作，否则将这L个未达标节点根据捕获能量比值从小到大排序；

(3.3)将所有射频能量发送源初始化为未匹配状态，然后按i＝1到i＝L的顺序，在未匹配的射频能量发送源中寻找离S_i最近的射频能量发送源，其中S_i是排序后的第i个未达标节点，并将该射频能量发送源匹配给S_i；

(3.4)对于每个被匹配的能量源T_j，将T_j向它的匹配节点移动Δd，其中参数Δd的值是预先设置好的；

(3.5)为每个节点n_i计算捕获能量比值，接着找出捕获能量比值最小的节点，如果该节点的捕获能量比值大于R^*的值，则将R^*的值更新该节点的捕获能量比值，然后回到步骤(3.2)，否则能量源位置改善操作结束。