CN107071847A - 无线可充电传感网络能量分配方法 - Google Patents
无线可充电传感网络能量分配方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为无线可充电传感网络提供一种能量分配方法。本方法依据携带能量的SenCar节点自身能量和网络节点的剩余能量，周期性根据节点需求为其分配能量。能量分配过程分为充电目标节点选择和构建最短充电回路两个阶段。将网络节点的剩余能量依次由低到高顺序排序，并将其划分为多个区间，SenCar节点每轮只对其中1个区间节点进行能量补充；在每轮中，构造最短汉密尔顿回路，减少SenCar移动距离，降低能耗。构造汉密尔顿回路过程中，使区间节点剩余能量标准差最小指标，目的是使区间节点能量补充均衡，但应满足节点补充能量应不低于其能量消耗，区间节点补充能量之和不高于SenCar节点携带的能量，以及充电周期等条件。
Description
技术领域
本发明涉及的是无线可充电传感网络中携带能量的可移动SenCar节点的能量分配，属于无线传感网络领域。
背景技术
基于磁耦合的无线可充电传感网络中，依托磁耦合技术，携带能量的可移动SenCar节点为网络节点补充能量，为解决无线传感网络中的能量问题提供新的途径。因SenCar节点携带能量有限，如何为网络节点分配有限能量，直接关系到网络节点工作时效性以及网络稳定性。因此，结合无线可充电传感网络特点，构建无线可充电传感网络能量分配方法，合理分配SenCar节点携带能量，对于优化网络效用，延长网络生命周期具有重要的现实意义。
目前，基于磁耦合的无线可充电传感网络中，对SenCar节点的能量分配研究主要从SenCar节点携带能量有限和无限两个方面进行。基于SenCar节点能量有限的能量分配方案主要基于贪心算法，当节点能量低于设定的阈值，基站统计节点个数，通过最短旅行商(TSP)回路算法，确定充电顺序。SenCar节点到达指定位置，为网络节点充满电，然后移动到下一个节点进行能量补充。基于SenCar节点能量无限的分配方案是将网络中的所有节点构造汉密尔顿最短回路，减少SenCar节点的移动能量消耗，同时周期遍历网络中的所有节点，为每个节点充满电。上述基于无线可充电传感网络的SenCar节点能量分配研究，主要是从构造网络中的节点最短回路，减少SenCar节点的移动消耗，从而将更多的能量用于为网络节点补充能量角度。实际上，受SenCar节点本身能量、传能效率、充电时间以及网络规模等因素限制，很难保障网络中所有节点都充满电。
发明内容
针对现有基于磁耦合的无线可充电传感网络中能量分配中存在无法均衡网络节点能量以及寻找最短旅行商(TSP)回路困难等缺点，本发明从网络能量需要平衡及SenCar节点能量有限角度，考虑到SenCar节点移动速度、网络中节点能耗率、SenCar节点最大能量、无线能量传输效率等因素影响，发明一种无线可充电传感网络能量分配方法。
无线可充电传感网络如图1，包括一个基站、一个SenCar节点、以及若干节点。节点主要负责发送或者转发数据，基站主要负责收集网络中所有节点的数据以及为SenCar节点补充能量，SenCar节点主要负责为网络节点补充能量。
假设无线可充电传感网络有n(n＞1)个相同构造的节点，且位置已知，这些节点的集合用表示，网络中第i个节点用Ni(i＝1，2，…，n)来表示，即
假设无线可充电传感网络中的基站能量充足，能通过一定充电方式对SenCar节点进行能量补充。基站设定在网络中心位置，可以减少SenCar节点的移动距离，使得SenCar节点将更多的能量用于为节点进行能量补充。
假设无线可充电传感网络中的SenCar节点可用最大能量为EmJ，能量下限值为Emin1J；SenCar节点主要负责数据传输、无线能量传输和移动功能。因SenCar节点与节点通信频率较低，忽略SenCar节点与网络节点通信过程中的能量消耗。移动速度恒定，设定为vm/s，SenCar节点单位距离移动的能耗固定为qm J/m。设定SenCar节点为网络节点充电功率固定为qcW。因采用磁耦合谐振无线传能方式，充电效率随着SenCar节点传能线圈和网络节点接收线圈之间的距离的增加而减少，因此令SenCar节点移动到目标节点附近才开始一对一充电，充电距离恒定，充电效率设定为定值η。SenCar节点的能量消耗主要由移动过程中的能量消耗和充电过程中的能量消耗两部分组成。
假设无线可充电传感网络中的节点最大能量为EsJ，剩余能量为ei(i＝1，2，…，n)，初始化时节点能量充满，当节点能量低于能量下限阈值Emin2，认为节点死亡。假设网络节点就近选择路由，以多跳的方 式转发至目的节点，节点发送数据的能耗大小不会受节点间的距离影响，节点i向节点j传输1bit数据所消耗的能量为定值同时用表示节点Ni每接收1bit数据所消耗能量，则节点i的能量消耗pi为
其中，fk，i为节点i发送给基站的数据量，fi，j为节点i接收节点j的数据量，fi，S为节点i接收基站的数据量。
在此网络架构基础上，发明一种无线可充电传感网络能量分配方法，具体思想是：携带能量的SenCar节点依据自身能量和网络节点的剩余能量，周期性地根据网络节点需求为其分配能量；能量分配过程分为充电目标节点选择和构建最短充电回路两个阶段；充电目标节点选择阶段，将网络节点的剩余能量依次由低到高顺序排序，并将其划分为多个区间，SenCar节点每轮只对其中1个区间节点进行能量补充；构建最短充电回路阶段，针对区间节点位置，构造最短汉密尔顿回路，通过区间节点剩余能量标准差最小指标，目的是使区间节点能量补充均衡，但应满足节点补充能量应不低于其能量消耗，区间节点补充能量之和不高于SenCar节点携带的能量，以及充电周期等条件。
进一步地，充电目标节点选择阶段，其步骤如下：
步骤一、网络初始化，SenCar节点处于基站附近待命，网络节点将自身剩余能量发送至基站；
步骤二、基站对网络中节点的剩余能量依次由低到高顺序排序，形成有序能量序列，记为Q；对应的节点号序列，记为Q’；
步骤三、划分有序能量序列Q为m个区间，m应小于网络中的节点数；Q序列中任意选取m个节点剩余节点能量分别作为质心，计算网络中其它节点的剩余能量与这m个质心的剩余能量差值的绝对值，当某个节点的剩余能量与第i(i＝1，2，…，m)个质心的剩余能量差值的绝对值小于设定阈值，则该节点属于第i个质心所在区间；计算同一区间中所有节点剩余能量的平均值，作为新的质心，将新的质心继续与序列Q节点剩余能量作差值，并取绝对值，如果小于设定阈值，则Q中节点剩余剩余能量归入新的区间中，迭代至所有质心都不变化为止，即将Q成功分成m区间；
步骤四、每一轮充电调度，SenCar节点只为某一区间中的节点进行能量补充；SenCar节点从低剩余能量区间到高剩余能量区间依轮补充能量，直至最高剩余能量区间中的节点能量补充完毕，又将从最低剩余能量区间开始依轮为各区间中的节点补充能量。
进一步地，m值选取。选取各个区间内所有节点剩余能量与该区间质心最大差值的绝对值的最大值之和，即区间半径之和，作为区间划分指标，取不同的m值，计算其半径之和，当取m值等于或者高于实际的区间数目时，该指标趋于平缓，而当m值少于实际的区间数目时，该指标会急剧上升，选出合适m值，将网络节点剩余能量分为m个区间。
进一步地，构建每轮最短充电回路。第k轮充电调度Rk中，选定该轮需要充电的节点，构成相应的节点序列节点集合记为其中S为基站，即每轮充电调度选定的目标节点的个数，表示该轮充电调度中第i个节点；通过区间节点剩余能量标准差S最小，如公式(2)所示，构造最短汉密尔顿回路。
其中，ei表示节点i的剩余能量，μ表示网络节点剩余能量的平均值，S越小，说明网络节点的剩余能量越趋于均衡。
进一步地，构造最短汉密尔顿回路，最求区间节点剩余能量标准差S最小同时应满足条件如下：
1)SenCar节点到达该轮充电回路中的第i个节点的时间为则
其中，为目标节点i和目标节点j之间距离，为目标节点1与基站S之间距离，v为SenCar节点移动速度，为第j个充电节点充电时间；表示在到达第i充电目标节点前，SenCar节点移动所花费的时间，表示为该轮充电调度前i个节点充电所花费的时间；
2)充电节点消耗能量不高于其剩余能量，即
其中，分别为第i个充电节点的消耗功率和剩余能量，Tp为能量补充周期；
3)为区间节点补充能量不能超过其储能的最大值Es，即
其中，为第i个充电节点充电时间，qc为节点充电功率，η为充电效率；
4)SenCar节点的每轮充电中移动过程消耗的能量和充电过程中消耗的能量不能大于SenCar节点所携带最大能量值Em，即
其中，qm为SenCar节点单位距离移动的能耗，为目标节点nk与基站S之间距离， 表示SenCar节点移动中消耗的能量，表示SenCar节点充电过程中消耗的能量；
5)m轮移动与充电过程消耗的总能量不大于m轮SenCar节点的总能量，即
其中，为k轮充电调度的总时间，为k轮SenCar节点移动的总时间，Emin1为SenCar节点的能量下限值。
进一步地，每一轮充电调度，SenCar节点从基站出发，只为某一区间中的节点进行能量补充，该区间中节点能量补充完毕后返回基站。SenCar节点从低剩余能量区间到高剩余能量区间依轮补充能量如图2所示。当SenCar节点为最高剩余能量区间中的节点能量补充完毕后，在下一轮充电调度中，SenCar节点又将从最低剩余能量区间开始依轮为各区间中的节点补充能量。当无线可充电传感网络中的节点都补充完毕后，SenCar节点又从最低剩余能量区间开始，重复上述过程。
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是无线可充电传感网络示意图
图2是无线可充电传感网络的Rk轮充电目标选定示意图
图3是无线可充电传感网络仿真示意图
图4是m值与区间半径之和之间关系示意图
图5是传统周期性充电(OPT)方案的节点周期充电后剩余能量统计示意图
图6是本发明(CODP)方案周期充电后剩余能量统计示意图
图7是OPT方案和CODP方案节点剩余能量均方差统计示意图
图8是在网络中有50个节点情况下CODP和OPT方案的初始能量与能量补充节点数关系示意图
图9是在网络中有100个节点情况下CODP和OPT方案的初始能量与能量补充节点数关系示意图
图10是在网络中有150个节点情况下CODP和OPT方案的初始能量与能量补充节点个数关系示意图
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：设置网络的的覆盖区域为1000m*1000m，监测区域随机分布50个节点，基站的位置为该覆盖区域的中心，坐标为(500，500)，表1为仿真环境参数具体设置。
表1 仿真详细参数设置
2、构建无线可充电传感网络：网络模型使用基于地理位置路由协议，节点数据率在[1，10]区间内随机产生，通过多跳的方式，节点将自身数据发送至基站，构建的无线可充电传感网络模型如图3所示，图3中黑线为节点数据的传输路径，图3中点数字为节点的ID号，D为基站。
3、将剩余能量序列划分区间：各个节点将其剩余能量发送至基站进行汇总，且将各个节点剩余能量升序排列后构成序列Q，取不同的m值，得到m与区间半径之间的关系，如图4所示。从图4可知，当m值大于4时，该区间划分半径之和趋于平缓；当m值小于4时，该区间划分半径之和会急剧上升，因此m取值为4，并将节点剩余能量序列划分为4个区间。
4、网络节点周期充电后节点剩余能量比较：使用两种充电方案，经过三个充电周期后，网络节点的剩余能量统计如图5和图6所示，比较图5和图6可以得到传统周期性充电(OPT)方案的节点的剩余能量水平普遍比本发明(CODP)方案高3J能量，OPT方案节点间剩余能量最大波动为2.7J，波动较大；CODP方案节点间的剩余能量波动最大为2.3J，同时随机生成了25个仿真参数一致的无线可充电传感网络，记录任意网络中，两种周期充电方案的节点剩余能量及网络中节点剩余能量的平均值μ，获取剩余能量标准差S，得到OPT和CODP方案剩余能量标准差统计，如图7所示，由图7可以得到CODP方案相比OPT方案，在周期性能量补充之后，节点的剩余能量更有效地趋于同一水平，达到节点间能量均衡的效果。
5、不同网络规模和不同SenCar节点初始能量环境下，补充能量节点数比较：对SenCar节点在能量受限的情况，比较分析在CODP充电方案与OPT充电方案且n＝50环境下，网络中得到能量补充的节点数与SenCar节点初始能量的关系，同时对n＝100和n＝150网络规模，进行相应的分析比较。设置SenCar节点的初始能量分别为20000J、30000J、35000J、37500J、40000J、50000J、60000J、70000J、90000J。n＝50、n＝100、n＝150不同网络规模下，CODP方案与OPT方案网络中得到能量补充的节点数与SenCar节点初始能量的关系示意图分别如图8、图9、图10所示，由图8、图9、图10可以看出，CODP方案可以比OPT方案在更低的初始化能量下为网络中的所有节点进行能量补充。
Claims (3)
1.无线可充电传感网络能量分配方法，其特征在于：携带能量的SenCar节点依据自身能量和网络节点的剩余能量，周期性地根据网络节点需求为其分配能量；能量分配过程分为充电目标节点选择和构建最短充电回路两个阶段；充电目标节点选择阶段，将网络节点的剩余能量依次由低到高顺序排序，并将其划分为多个区间，SenCar节点每轮只对其中1个区间节点进行能量补充；构建最短充电回路阶段，针对区间节点位置，构造最短汉密尔顿回路，通过区间节点剩余能量标准差最小指标，目的是使区间节点能量补充均衡，但应满足节点补充能量应不低于其能量消耗，区间节点补充能量之和不高于SenCar节点携带的能量，以及充电周期等条件。
2.根据权利要求1所述的无线可充电传感网络能最分配方法中的充电目标节点选择，包括：
步骤一、网络初始化，SenCar节点处于基站附近待命，网络节点将自身剩余能量发送至基站；
步骤二、基站对网络中节点的剩余能量依次由低到高顺序排序，形成有序能量序列，记为Q；对应的节点号序列，记为Q’；
步骤三、划分有序能量序列Q为m个区间，m应小于网络中的节点数；Q序列中任意选取m个节点剩余节点能量分别作为质心，计算网络中其它节点的剩余能量与这m个质心的剩余能量差值的绝对值，当某个节点的剩余能量与第i(i＝1，2，…，m)个质心的剩余能量差值的绝对值小于设定阈值，则该节点属于第i个质心所在区间；计算同一区间中所有节点剩余能量的平均值，作为新的质心，将新的质心继续与序列Q节点剩余能量作差值，并取绝对值，如果小于设定阈值，则Q中节点剩余剩余能量归入新的区间中，迭代至所有质心都不变化为止，即将Q成功分成m区间；
步骤四、每一轮充电调度，SenCar节点只为某一区间中的节点进行能量补充；SenCar节点从低剩余能量区间到高剩余能量区间依轮补充能量，直至最高剩余能量区间中的节点能量补充完毕，又将从最低剩余能量区间开始依轮为各区间中的节点补充能量。
3.根据权利要求1所述的无线可充电传感网络能最分配方法中的每轮最短充电回路构建，其特征在于，第k轮充电调度Rk中，选定该轮需要充电的节点，构成相应的节点序列节点集合记为 其中S为基站，即每轮充电调度选定的目标节点的个数，表示该轮充电调度中第i个节点；通过区间节点剩余能量标准差最小，构造最短汉密尔顿回路，且同时满足条件如下：
1)SenCar节点到达该轮充电回路中的第i个节点的时间为则
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其中，为目标节点i和目标节点j之间距离，为目标节点1与基站S之间距离，v为SenCar节点移动速度，为第j个充电节点充电时间；表示在到达第i充电目标节点前，SenCar节点移动所花费的时间，表示为该轮充电调度前i个节点充电所花费的时间；
2)充电节点消耗能量不高于其剩余能量，即
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其中，分别为第i个充电节点的消耗功率和剩余能量，Tp为能量补充周期；
3)为区间节点补充能量不能超过其储能的最大值Es，即
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其中，为第i个充电节点充电时间，qc为节点充电功率，η为充电效率；
4)SenCar节点的每轮充电中移动过程消耗的能量和充电过程中消耗的能量不能大于SenCar节点所携带最大能量值Em，即
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其中，qm为SenCar节点单位距离移动的能耗，为目标节点nk与基站S之间距离， 表示SenCar节点移动中消耗的能量，表示SenCar节点充电过程中消耗的能量；
5)m轮移动与充电过程消耗的总能量不大于m轮SenCar节点的总能量，即
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其中，为k轮充电调度的总时间，为k轮SenCar节点移动的总时间，Emin1为SenCar节点的能量下限值。
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