CN106255130A - 无线充电传感器网络总效用最大化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种无线充电传感器网络总效用最大化方法，包括：确定传感器节点的平均能量消耗；设定传感器节点的最优数据传输速率，并根据传感器节点的最优数据传输速率确定传感器节点融合向外连接的传输速率；确定传感器网络中各链路分配的流速；确定传感器节点所需补充的电量；确定移动能量设备数据收集的延迟时间；能够准确的获得无线充电传感器网络的最优数据传输速率，实现传感器网络效用最大化，保证无线传感器网络持续稳定运行。

Description

无线充电传感器网络总效用最大化方法

技术领域

本发明涉及一种网络优化方法，尤其涉及一种无线充电传感器网络总效用最大化方法。

背景技术

新型的无线能量传输技术能够保证网络的持续运行。在这一个领域里有了最新突破，开辟一个新的维度去设计传感器网络协议，同时，移动数据收集被视为无线传感网络数据传送的有效替代。

然而，在无线充电传感器网络中，充电速率随时间变化是获得最优数据收集策略的一个巨大挑战。受到新的能量传送技术的启发和移动数据收集好处的刺激，研究人员提出了一个能量供给的联合设计和移动数据收集(JMERDG)模型，它是通过建立一个流层次网络效用最大化模型来描述数据收集性能的，而流层次网络效用最大化的直接体现在数据传输速率；虽然现有技术可以通过利用移动收集器有效的收集数据和节约能量，但是它只考虑了数据发送的能量消耗没有考虑到数据接收和传感的能量消耗，并且充电速率也是作为常数而不是时变量，因此，如何获得无线充电传感器网络中的数据传输速率成为了技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线充电传感器网络总效用最大化方法，能够准确的获得无线充电传感器网络的最优数据传输速率，实现传感器网络效用最大化，保证无线传感器网络持续稳定运行。

本发明提供的一种无线充电传感器网络总效用最大化方法，包括：

确定传感器节点的平均能量消耗；

设定传感器节点的最优数据传输速率，并根据传感器节点的最优数据传输速率确定传感器节点融合向外连接的传输速率；

确定传感器网络中各链路分配的流速；

确定传感器节点所需补充的电量；

确定移动能量设备数据收集的延迟时间；

根据数据传输速率、延迟时间、链路分配的流速、平均能量消耗判断传感器网络的总效用是否最大化，即判断一下模型是否具有最大值，如有，则无线充电传感器网络总效用最大，判断模型b如下t：t其中，U_i为传感器的实用函数，r_i ^a为数据传输速率；τ^a为移动能量设备在锚点a的停留时间。

进一步，传感器节点由移动能量设备实现数据收集以及传感器电池充电；且通过如下公式确定最优传感器节点融合向外连接的传输速率：

$\underset{r,f,\mathrm{\τ}}{max}\underset{i}{\Σ}{U}_i\left(\underset{a\∈A}{\Σ}{r}_i^a{\mathrm{\τ}}^a\right)---\left(1\right)$

$r_i^a+\underset{j:(j,i)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ji}^a=\underset{j:(i,j)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ij}^a,\∀i\∈N,\∀a\∈A---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}^a\left(\underset{j:(i,j)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ij}^a{\mathrm{\μ}}_{ij}^{tx}+\underset{j:(i,j)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ji}^a{\mathrm{\μ}}_i^{rx}+r_i^a{\mathrm{\μ}}_i^{gn}\right)\\ \≤b_i+{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^a}{\mathrm{\ρ}}_i^a\left(t\right)dt-{\mathrm{\ζ}}_i,\∀i\∈N,\∀a\∈A\end{array}---\left(3\right)$

$0\≤f_{ij}^a\≤C_{ij}^a,\∀(i,j)\∈E^a,\∀a\∈A---\left(4\right)$

$b_i+{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^a}{\mathrm{\ρ}}_i^a\left(t\right)dt\≤B_i,\∀i\∈N,\∀a\∈A---\left(5\right)$

其中，

r＝{r_i ^a|i∈N,a∈A},

τ＝{T^a|a∈A}；为任意正常数，表示传感器网络中传感器i的最小剩余电量；

E^a＝{(i,j)|i,j∈V^a}表示该传感器和移动能量设备之间的联系；为在锚点a通过链路(i，j)的流速；a表示传感器网络中的任一锚点；N表示传感器的个数，i和j分别表示传感器网络中第i传感器节点和第j传感器节点；d_ij表示节点i和结节点j之间的距离；R_tx代表移动能量设备传输范围内的传感器节点；r_i ^a为移动能量设备移动到锚点a时生成的数据速率；表示传感器节点i提供一个在链路(i,j)的数据包所消耗的能量；表示用于接收一个在传感器节点i的数据包所消耗的能量；表示在节点i的检测环境产生一个在数据包所消耗的能量；为移动能量设备运动到锚点a时传感器节点i瞬时充电速率；A为传感器网络中的锚点集合；V^a＝N∪{S^a}表示所有的传感器节点和移动能量设备所在锚点S^a；τ^a为移动能量设备在锚点a的停留时间；T为移动能量设备在传感器网络中各锚点停留的总时间；U_i为传感器的实用函数，r_i ^a为数据传输速率。

本发明的有益效果：能够准确的获得无线充电传感器网络的最优数据传输速率，实现传感器网络效用最大化，保证无线传感器网络持续稳定运行，为无线传感器网络的数据收集、充电速率提供了高效的数据服务，延长传感器网络的生命周期。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

图1为本发明的流程图，如图所示，本发明提供的一种无线充电传感器网络总效用最大化方法，包括：

确定传感器节点的平均能量消耗；其中，传感器节点的蓄电池均设有电池管理芯片，由电池管理芯片记录传感器节点的平均能量消耗，当移动能量设备到达锚点a时，传感器节点将平均能量消耗传输到移动能量设备，其中，移动能量设备可以采用现有的机器人，配有高容量蓄电池、数据接收设备、数据处理器以及数据发送设备等资源，属于现有技术，在此不加以赘述；

设定传感器节点的最优数据传输速率，并根据传感器节点的最优数据传输速率确定传感器节点融合向外连接的传输速率，传感器节点的最优传输速率依据传感器网络的自身属性设定，但要遵循流量守恒原则，即保证在每个节点的融合向外链接的传输速率等于内链接的传输速率加上自身的数据传输速率；

确定传感器网络中各链路分配的流速；

确定传感器节点所需补充的电量，确定为传感器节点补充的电量需遵守电池容量约束原则，即保证为节点补充的电量与节点当前电量的总和不能超过它自身的电池容量。因为充电的过程使得能量逐渐的趋于电池的容量水平，充电的效率逐渐降低；当移动收集器在锚点停留的时间无限长，它可以让节点的能量到达100％，但是不能超越电池容量的极限；

确定移动能量设备数据收集的延迟时间；数据收集的延迟时间不能超过预设值；移动能量设备根据所需补充电量以及传感器的充电速率确定延迟时间；

根据数据传输速率、延迟时间、链路分配的流速、平均能量消耗判断传感器网络的总效用是否最大化，即判断一下模型是否具有最大值，如有，则无线充电传感器网络总效用最大，判断模型b如下：其中，U_i为传感器的实用函数，r_i ^a为数据传输速率；τ^a为移动能量设备在锚点a的停留时间；

其中，传感器节点的平均能量消耗为数据传输、数据接收以及感知数据源时的平均能量消耗；且平均能量消耗小于传感器节点当前剩余能量和延迟时间内的平均能量收入之和，能量收入即传感器所获得的能量。

其中，传感器节点补充的电量与传感器节点当前的电量的总和不超过传感器自身电池的容量；通过上述方法，能够准确的获得无线充电传感器网络的最优数据传输速率，实现传感器网络效用最大化，保证无线传感器网络持续稳定运行，为无线传感器网络的数据收集、充电速率提供了高效的数据服务，延长传感器网络的生命周期。

本实施例中，传感器节点由移动能量设备实现数据收集以及传感器电池充电；且通过如下公式确定无线充电传感器网络的总效用最大化：

$\underset{r,f,\mathrm{\τ}}{max}\underset{i}{\Σ}{U}_i\left(\underset{a\∈A}{\Σ}{r}_i^a{\mathrm{\τ}}^a\right)---\left(1\right)$

$r_i^a+\underset{j:(j,i)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ji}^a=\underset{j:(i,j)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ij}^a,\∀i\∈N,\∀a\∈A---\left(2\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}^a\left(\underset{j:(i,j)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ij}^a{\mathrm{\μ}}_{ij}^{tx}+\underset{j:(i,j)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ji}^a{\mathrm{\μ}}_i^{rx}+r_i^a{\mathrm{\μ}}_i^{gn}\right)\\ \≤b_i+{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^a}{\mathrm{\ρ}}_i^a\left(t\right)dt-{\mathrm{\ζ}}_i,\∀i\∈N,\∀a\∈A\end{array}---\left(3\right)$

$0\≤f_{ij}^a\≤C_{ij}^a,\∀(i,j)\∈E^a,\∀a\∈A---\left(4\right)$

$b_i+{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^a}{\mathrm{\ρ}}_i^a\left(t\right)dt\≤B_i,\∀i\∈N,\∀a\∈A---\left(5\right)$

其中，

r＝{r_i ^a|i∈N,a∈A},

τ＝{T^a|a∈A}；为任意正常数，表示传感器网络中传感器i的最小剩余电量；

E^a＝{(i,j)|i,j∈V^a}表示该传感器和移动能量设备之间的联系；为在锚点a通过链路(i，j)的流速；a表示传感器网络中的任一锚点；N表示传感器的个数，i和j分别表示传感器网络中第i传感器节点和第j传感器节点；d_ij表示节点i和结节点j之间的距离；R_tx代表移动能量设备传输范围内的传感器节点；r_i ^a为移动能量设备移动到锚点a时生成的数据速率；表示传感器节点i提供一个在链路(i,j)的数据包所消耗的能量；表示用于接收一个在传感器节点i的数据包所消耗的能量；表示在节点i的检测环境产生一个在数据包所消耗的能量；为移动能量设备运动到锚点a时传感器节点i瞬时充电速率；A为传感器网络中的锚点集合；V^a＝N∪{S^a}表示所有的传感器节点和移动能量设备所在锚点S^a；τ^a为移动能量设备在锚点a的停留时间；T为移动能量设备在传感器网络中各锚点停留的总时间；U_i为传感器的实用函数，r_i ^a为数据传输速率；其中，式(2)-式(6)为式(1)的约束条件，通过上述模型，通过求取式(1)的最大值，并通过多次设定最优传输速率等参数并比较最终获得的最大值，判断当前的数据传输速率是否最优，从而不断修订最优数据传输速率的设定，以确定最优数据传输速率，实现网络效用最大化，保证传感器网络持久高效稳定运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种无线充电传感器网络总效用最大化方法，其特征在于：包括：

确定传感器节点的平均能量消耗；

设定传感器节点的最优数据传输速率，并根据传感器节点的最优数据传输速率确定传感器节点融合向外连接的传输速率；

确定传感器网络中各链路分配的流速；

确定传感器节点所需补充的电量；

确定移动能量设备数据收集的延迟时间；

根据数据传输速率、延迟时间、链路分配的流速、平均能量消耗判断传感器网络的总效用是否最大化，即判断一下模型是否具有最大值，如有，则无线充电传感器网络总效用最大，判断模型b如下：其中，U_i为传感器的实用函数，ri^a为数据传输速率；τa为移动能量设备在锚点a的停留时间。

2.根据权利要求1所述无线充电传感器网络总效用最大化方法，其特征在于：传感器节点的平均能量消耗为数据传输、数据接收以及感知数据源时的平均能量消耗；且平均能量消耗小于传感器节点当前剩余能量和延迟时间内的平均能量收入之和。

3.根据权利要求1所述无线充电传感器网络总效用最大化方法，其特征在于：传感器节点补充的电量与传感器节点当前的电量的总和不超过传感器自身电池的容量。

4.根据权利要求1所述无线充电传感器网络总效用最大化方法，其特征在于：传感器节点由移动能量设备实现数据收集以及传感器电池充电；且通过如下公式确定无线充电传感器网络的总效用最大化：

$\underset{r,f,\mathrm{\τ}}{max}\underset{i}{\Σ}{U}_i\left(\underset{a\∈A}{\Σ}{r}_i^a{\mathrm{\τ}}^a\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\τ}}^a\left(\underset{j:(j,i)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ij}^a{\mathrm{\μ}}_{ij}^{tx}+\underset{j:(j,i)\∈E^a}{\Σ}{f}_{ji}^a{\mathrm{\μ}}_i^{rx}+r_i^a{\mathrm{\μ}}_i^{gn}\right)$

$\≤b_i+{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^a}{\mathrm{\ρ}}_i^a\left(t\right)dt-{\mathrm{\ζ}}_i,\∀i\∈N,\∀a\∈A---\left(3\right)$

$0\≤f_{ij}^a\≤C_{ij}^a,\∀(i,j)\∈E^a,\∀a\∈A---\left(4\right)$

$b_i+{\∫}_0^{{\mathrm{\τ}}^a}{\mathrm{\ρ}}_i^a\left(t\right)dt\≤B_i,\∀i\∈N,\∀a\∈A---\left(5\right)$

其中，

$r=\left\{r_i^a\right|i\∈N,a\∈A\},f=\{f_{ij}^a|(i,j)\∈E^a,a\∈A\};$

τ＝{T^a|a∈A}；为任意正常数，表示传感器网络中传感器i的最小剩余电量；

E^a＝{(i,j)|i,j∈V^a}表示该传感器和移动能量设备之间的联系；为在锚点a通过链路(i，j)的流速；a表示传感器网络中的任一锚点；N表示传感器的个数，i和j分别表示传感器网络中第i传感器节点和第j传感器节点；d_ij表示节点i和结节点j之间的距离；R_tx代表移动能量设备传输范围内的传感器节点；r_i ^a为移动能量设备移动到锚点a时生成的数据速率；表示传感器节点i提供一个在链路(i,j)的数据包所消耗的能量；表示用于接收一个在传感器节点i的数据包所消耗的能量；表示在节点i的检测环境产生一个在数据包所消耗的能量；为移动能量设备运动到锚点a时传感器节点i瞬时充电速率；A为传感器网络中的锚点集合；V^a＝N∪{S^a}表示所有的传感器节点和移动能量设备所在锚点S^a；τ^a为移动能量设备在锚点a的停留时间；T为移动能量设备在传感器网络中各锚点停留的总时间；U_i为传感器的实用函数，r_i ^a为数据传输速率。