CN106714222A - 无线可充电传感网络节点充电次序调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对磁耦合无线传能的无线可充电传感网络，采用一对一充电方式，提供一种充电调度方法。本方法结合网络节点剩余能量、位置等信息，进行网络节点充电调度，具体分为数据传输过程和充电调度过程。数据传输过程，采用不均匀分簇的路由传输协议，以“轮”循环方式进行数据传输；充电调度过程，将网络区域划分为不同“格”，当格中节点剩余能量低于设定阈值时，将其状态信息发送给所在簇内的簇头节点，簇头节点将此消息通过基站，转发给SenCar节点，SenCar节点依据节点的状态信息，判定其所属“格”，并根据“格”内节点状态、位置及其剩余能量，确定“格”和节点的充电优先级别，最终确定节点充电调度次序，达到网络节点能量均衡。

Description

无线可充电传感网络节点充电次序调度方法

技术领域

本发明涉及的是无线可充电传感网络中的一种充电次序调度方法，属于无线传感网络领域。

背景技术

基于磁耦合传能的无线可充电传感网络中，携带能量的SenCar节点通过磁耦合技术为网络节点补充能量，增强了网络稳健性，以及扩展网络的生命周期。通过磁耦合技术为节点补充能量过程，受SenCar节点自身能量限制、充电时间、网络规模等因素限制，很难保证为网络中每个节点及时地充满电，这就带来网络节点充电次序问题。合理地安排网络节点充电次序，对于保障节点的工作稳定性和网络稳健性具有重要的现实意义。

针对一对一充电方式下的无线可充电传感网络，目前研究主要集中在对SenCar节点的调度，通过合理安排SenCar节点充电路径，减少因路径带来的能量消耗。另外，对于大中型网络，采用多个SenCar节点为网络节点补充能量，将网络划分为多个充电簇，每个簇头向相对合适度最大的SenCar节点发送能量补充请求信息。当SenCar节点进行充电决策时，综合考虑充电簇的剩余能量、簇头与SenCar节点之间的距离以及SenCar节点的可用性，从而提高SenCar节点的充电效率。实际上，受充电时间、网络拓扑结构等因素影响，仅仅规划SenCar节点充电路径以及保证簇头节点的能量需求是不够的，应从网络全局考虑，充分考虑网络节点剩余能量、位置、状态等信息，合理调度充电次序，能有效地提高节点的工作稳定性和网络稳健性，以及网络生命周期。

发明内容

基于磁耦合的无线可充电传感网络中，采用一对一充电方式下，针对目前能量调度过程中，仅从规划SenCar节点充电路径以及保证簇头节点的能量需求，没有从网络全局考虑等缺点，本发明充分考虑网络节点剩余能量、位置、状态等信息，合理调度充电次序，发明一种无线可充电传感网络节点充电次序调度方法(G-SCC)。

无线可充电传感网络区域是一个N*N的正方形区域，如图1所示，包括一个基站、一个SenCar节点、以及若干节点。节点可担任簇头功能(又称簇头节点)节点或中继功能(又称中继簇头节点)，基站负责收集节点的数据信息，位于区域的中心位置，即其坐标值为(N/2，N/2)，且不可移动。在网络区域内随机部署了n个节点。初始时刻，SenCar节点位置与基站相同，也位于网络区域的中心位置，即坐标值为(N/2，N/2)，负责对需充电的节点进行能量补充。

假设无线可充电传感网络中只有一个SenCar节点，负责对网络中低于阈值节点进行充电，采用一对一充电，不参与节点能量和数据信息的收集工作。SenCar节点为网络节点充电效率为η，即SenCar节点传输一焦耳的能量时，节点只能接收到η焦耳的能量。

假设网络中的每个节点和SenCar节点位置已知，当SenCar节点为网络中某一节点进行能量补充时，会及时地将自身的位置信息发送给网络中的其它节点。与充电时间相比，SenCar节点的移动时间较小，忽略不计。

假设当节点低于阈值时，该节点就进入睡眠状态，其中，睡眠状态指的是低于阈值的节点只负责将自身信息发送给簇头节点，不会在此状态下担任簇头节点或中继簇头节点。

在此网络架构基础上，发明一种无线可充电传感网络节点充电次序调度方法，具体思想是：节点充电次序调度由数据传输过程和充电调度过程构成；数据传输过程，为均衡能量消耗，采用不均匀分簇的路由传输协议，以“轮”循环方式进行数据传输；因簇的形状在每轮中是不规则的，即每轮中簇内节点数日是不确定的，并且网络中的每个节点在生命周期内都可能当选簇头节点或者是中继簇头节点，甚至是多次当选。因此，在充电调度过程中，无法以簇为单位规划充电次序，因而引入“格”的概念，将无线可充电传感网络区域划分为不同“格”，当格中节点剩余能量低于设定阈值时，将其状态信息(包括节点位置信息和节点在工作状态时担任簇头节点的总轮数)发送给所在簇内的簇头节点，进入睡眠状态，如图2所示，簇头节点将此消息发送给基站，基站将该信息发送给网络中的SenCar节点，SenCar节点接收到节点的状态信息和能量补充请求消息，判断节点所在的“格”，进而依据“格”内节点状态、位置及其剩余能量，确定“格”和该节点的充电优先级别，最终确定网络节点充电调度次序。

进一步地，无线可充电传感网络区域划分为不同“格”，其步骤包括：

步骤一、以基站为中心，节点通信半径一半为半径画圆；

步骤二、以圆和直角坐标轴将网络区域划分八个部分，分别为区域1～区域8，如图3所示；

步骤三、将区域1～区域8以基站为中心，分别等分为二等分，即网络被划分为十六个区域，每个区域称为“格”，形成16个“格”，如图4所示；

步骤四、依据网络规模以及节点数量及分布，可对区域进一步划分，形成区域更小的“格”。

进一步地，判定无线可充电传感网络节点充电次序调度方法中的“格”充电优先级别，其计算公式为

其中，N_btv(j)为网络中第j个“格”内低于阈值的节点数目，N_total(j)为网络中第j个“格”内节点总数，r为网络运行的轮数，n_j为第j个“格”内所有担任簇头节点在r轮时的平均轮数，D(g_j，m)为第j个“格”的中心位置与SenCar节点的距离，x和y分别为网络区域的长度和宽度。

进一步地，判定无线可充电传感网络节点充电次序调度方法中的节点充电优先级别，其计算公式为

其中，n_i为节点i在第r轮时已担任簇头节点的总轮数，E_i(r)为节点i在第r轮时的剩余能量，E₀为节点的初始能量，即最大容量，D(s_i，m)为节点i与SenCar节点之间的距离，x和y分别为网络区域的长度和宽度。

进一步地，调度无线可充电传感网络节点充电次序，流程图如图5所示，具体步骤如下：

第一步、设定网络节点的初始能量以及睡眠阈值；

第二步、节点进行数据传输；

第三步、基站监测网络中是否有节点剩余能量低于睡眠阈值，若有，则进入第四步，若无，返回第二步；

第四步、通过公式(1)计算低于阈值的节点所在“格”的充电优先级，选中充电优先级最高的“格”；

第五步、通过公式(2)计算充电优先级最高的“格”内低于阈值节点的充电优先级；

第六步、依据节点充电优先级，依次对“格”内低于阈值的节点进行能量补充；

第七步、完成“格”内所有节点能量补充后，返回第二步。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步地详细描述。

附图说明

图1 网络节点部署图

图2 节点补充能量流程图

图3 以基站为圆心划分的网络区域

图4 区域“格”的划分

图5 节点完电调度流程图

图6 簇头节点的分布图

图7 网络中存活的节点数与轮数之间关系图

图8 平均存活的邻居节点数与轮数之间关系图

具体实施方式

采用Matlab平台，对本发明进行实施，具体流程如下：

1、参数设置：网络区域大小为100m×100m。在网络中随机部署了100个节点和一个基站。基站负责收集网络中节点的数据信息，位于区域的中心位置，即坐标值为(50，50)。仿真参数的设置如表1所示。

表1 参数配置表

2、网络划分为不同“格”：以基站为中心点，节点通信半径一半为半径画圆将整个网络划分八个区域，如图3所示。为了减少SenCar节点对圆内每个区域中节点的总充电时间，区域1～区域8以基站为中心，分别等分为二等分，整个网络区域被划分为十六个区域，如图4所示，每个区域称为“格”，形成16个“格”。通过仿真，如图6所示，说明簇头节点大部分集中在节点通信距离的二分之一范围内。

3、“格”充电优先级别确定，根据“格”内低于阈值的节点数目和“格”内节点总数、网络运行的轮数、“格”内所有担任簇头节点的平均轮数、“格”的中心位置与SenCar节点的距离，以及网络区域的长度和宽度，根据公式(1)计算出“格”的优先级。

4、网络节点优先级别确定，根据节点已担任簇头节点的总轮数、节点的剩余能量及初始能量、节点与SenCar节点之间距离，以及网络区域的长度和宽度，根据公式(2)计算出节点的优先级。

5、网络中存活的节点数的比较：网络中存活的节点数与轮数之间的关系如图7所示。当SenCar节点没有对网络中的节点进行能量补充时(无充电调度)，节点将在2200轮左右全部死亡。当网络中的节点低于设定阈值时，SenCar节点依据节点充电次序，对其进行能量补充，且在3000轮时仍有36个存活节点，在很大程度上延长了网络整体的运行时间。与基于分簇的多移动充电器协同充电方法(C_MCC)相比较，G_SCC方法比C_MCC方法中更有优势，这是因为G_SCC方法在判断节点和充电“格”的优先级时，不仅考虑了节点的剩余能量、与Sink节点之间的距离，同时还考虑了节点担任簇头的轮数，从而使低能量的节点能及时地得到能量补充。

6、路由鲁棒性的比较：路由鲁棒性与轮数之间的关系如图8所示。当SenCar节点未对网络中需充电的节点进行能量补充(即无充电调度)时，存活的平均邻居节点数在2000轮时为零。当SenCar节点对网络节点进行能量补充，网络运行到3000轮时，仍有4个平均邻居节点数。同时，与C_MCC方法相比较，G_SCC方法中的平均邻居节点数较多一些，网络更稳健些。

Claims (5)

1.无线可充电传感网络节点充电次序调度方法，其特征在于：该充电次序调度方法由数据传输过程和充电调度过程构成；数据传输过程，采用不均匀分簇的路由传输协议，以“轮”循环方式进行数据传输；充电调度过程，将无线可充电传感网络区域划分为不同“格”，当格中节点剩余能量低于设定阈值时，将其状态信息发送给所在簇内的簇头节点，进入睡眠状态，簇头节点将此消息发送给基站，基站将该信息发送给网络中的SenCar节点，SenCar节点接收到节点的状态信息和能量补充请求消息，判断节点所在的“格”，进而依据“格”内节点状态、位置及其剩余能量，确定“格”和节点的充电优先级别，最终确定网络节点充电调度次序。

2.根据权利要求1所述的无线可充电传感网络节点充电次序调度方法中的充电“格”划分，其步骤包括：

步骤一、以基站为中心，节点通信半径一半为半径画圆；

步骤二、以圆和直角坐标轴将网络区域划分八个部分，分别为区域1～区域8；

步骤三、将区域1～区域8以基站为中心，分别等分为二等分，即网络被划分为十六个区域，每个区域称为“格”，形成16个“格”；

步骤四、依据网络规模以及节点数量及分布，可对区域进一步划分，形成区域更小的“格”。

3.根据权利要求1所述的无线可充电传感网络节点充电次序调度方法中的“格”充电优先级别，其计算公式为

$G\left(g_j\right)=\frac{(1+\frac{N_{biv}\left(j\right)}{N_{total}\left(j\right)})*(1+\frac{n_i}{r})}{2+D(g_j,m)/\sqrt{x^2+y^2}}---\left(1\right)$

其中，N_btv(j)为网络中第j个“格”内低于阈值的节点数目，N_total(j)为网络中第j个“格”内节点总数，r为网络运行轮数，n_i为第j个“格”内所有担任簇头节点在r轮时的平均轮数，D(g_j，m)为第j个“格”的中心位置与SenCar节点的距离，x和y分别为网络区域的长度和宽度。

4.根据权利要求1所述的无线可充电传感网络节点充电次序调度方法中的节点充电优先级别，其计算公式为

其中，n_i为节点i在第r轮时已担任过簇头节点的总轮数，E_i(r)为节点i在第r轮时的剩余能量，E₀为节点的初始能最，即最大容量，D(s_i，m)为节点i与SenCar节点之间的距离，x和y分别为网络区域的长度和宽度。

5.根据权利要求1所述的无线可充电传感网络节点充电次序调度方法中的节点调度次序，包括：

第一步、设定网络节点的初始能量以及睡眠阈值；

第二步、节点进行数据传输；

第三步、基站监测网络中是否有节点剩余能量低于睡眠阈值，若有，则进入第四步，若无，返回第二步；

第四步、通过公式(1)计算低于阈值的节点所在“格”的充电优先级，选中充电优先级最高的“格”；

第五步、通过公式(2)计算充电优先级最高的“格”内低于阈值节点的充电优先级；

第六步、依据节点充电优先级，依次对“格”内低于阈值的节点进行能量补充；

第七步、完成“格”内所有节点能量补充，返回第二步。