CN107396436A - 一种射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法 - Google Patents

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Abstract

一种射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法，先将所部署的每个能量源的发送功率初始化为最高档发送功率，并将候选能量源集合初始化为包含所有能量源；然后将候选能量源集合中的能量源逐个分别尝试将发送功率降低一档，对于那些发送功率降低一档仍然使所有节点能量捕获速率满足需求的能量源，挑发送功率降低一档所导致发送功率下降值最大的能量源，来将其发送功率下调一档。重复以上挑某个能量源来降低一档发送功率的操作，直至候选能量源集合为空，此时得到各能量源的最终发送功率值。本发明有效降低射频能量源的发送功率，避免了无谓的多余能量供应，达到了节能的效果。

Description

一种射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法
技术领域
本发明涉及一种射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法，该方法适用于射频能量捕获无线传感器网络。
技术背景
射频能量捕获传感器网络主要由射频能量源和射频能量捕获传感器节点组成。射频能量源放射出一定频率的电磁波，射频能量捕获传感器节点通过天线捕获到这些电磁波后将其转化为电能并储存下来，作为本节点工作所需的能量。这解决了以前由电池供电的无线传感器网络能量受限的瓶颈，具有广泛的应用价值。
至今为止已有一些关于射频能量捕获传感器网络的研究论文。其中关于能量源的研究包括：在满足各个节点能量需求基础上的能量源个数最少化；在能量源个数确定的情况下，达到节点占空比最大化的能量源部署位置优化等。这些已有的研究都是针对射频能量源的发送功率是固定不可调的情况。在满足节点能量捕获需求条件下，降低能量源的发送功率能有效减少能耗，节约能源，具有重要意义。
发明内容
为了克服现有射频能量源的发送功率过大会导致不必要的能量浪费的不足，本发明提出一种有效减少能耗的射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法，包括以下步骤：
步骤一：将射频能量捕获无线传感网中所部署的M个射频能量源的发送功率都初始化为最高的那一档发送功率；
步骤二：将M个射频能量源从1到M逐个标上序号，并将发送功率可调低的能量源序号集合S初始化为S＝{1,2,…,M}；
步骤三：初始化k←0；
步骤四：令k←k+1，若k>M则跳到步骤九；
步骤五：如果则跳到步骤四；
步骤六：针对将第k个能量源的发送功率降低一档该场景，根据公式(1)计算网络中所部署的第i个传感器节点从M个能量源捕获到的总功率i∈{1,2,…,N}以及N是网络中节点个数，
其中η是整流效率，Gs是源天线增益，Gr是接收天线增益，Lp是极化损耗，λ是波长，di,j是节点i与能量源j之间的距离，Pt (j)是能量源j的发送功率；
步骤七：如果每个节点捕获到的总功率均大于等于节点所需的最低能量捕获功率pth，则将序号k以及第k个能量源发送功率下调一档所带来的发送功率下降值ΔPt (k)记录到功率下调信息表中；如果至少存在一个捕获到的总功率小于pth的节点，则从集合S中删除序号k，以表示第k个能量源的发送功率不可以再调低；
步骤八：跳到步骤四；
步骤九：如果功率下调信息表中不存在任何记录，则跳到步骤十一从而结束发送功率配置；否则在功率下调信息表中选取发送功率下降值最大的那个能量源，并将其发送功率降低一档，如果存在多个能量源具有相同且最大的发送功率下降值，则随机选取一个能量源，将该能量源发送功率降低一档；
步骤十：清空功率下调信息表中的所有记录，跳到步骤三；
步骤十一：结束。
本发明的有效效果表现为：本发明在满足每个传感器节点的能量捕获需求的前提下，有效降低射频能量源的发送功率，避免了无谓的多余能量供应，达到了节能的效果。
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能量源发送功率配置方法，包括以下步骤：
步骤一：将射频能量捕获无线传感网中所部署的M个射频能量源的发送功率都初始化为最高的那一档发送功率；
步骤二：将M个射频能量源从1到M逐个标上序号，并将发送功率可调低的能量源序号集合S初始化为S＝{1,2,…,M}；
步骤三：初始化k←0；
步骤四：令k←k+1，若k>M则跳到步骤九；
步骤五：如果则跳到步骤四；
步骤六：针对将第k个能量源的发送功率降低一档该场景，根据公式(1)计算网络中所部署的第i个传感器节点从M个能量源捕获到的总功率i∈{1,2,…,N}以及N是网络中节点个数，
其中η是整流效率，Gs是源天线增益，Gr是接收天线增益，Lp是极化损耗，λ是波长，di,j是节点i与能量源j之间的距离，Pt (j)是能量源j的发送功率；
步骤七：如果每个节点捕获到的总功率均大于等于节点所需的最低能量捕获功率pth，则将序号k以及第k个能量源发送功率下调一档所带来的发送功率下降值ΔPt (k)记录到功率下调信息表中；如果至少存在一个捕获到的总功率小于pth的节点，则从集合S中删除序号k，以表示第k个能量源的发送功率不可以再调低；
步骤八：跳到步骤四；
步骤九：如果功率下调信息表中不存在任何记录，则跳到步骤十一从而结束发送功率配置；否则在功率下调信息表中选取发送功率下降值最大的那个能量源，并将其发送功率降低一档，如果存在多个能量源具有相同且最大的发送功率下降值，则随机选取一个能量源，将该能量源发送功率降低一档；
步骤十：清空功率下调信息表中的所有记录，跳到步骤三；
步骤十一：结束。
举例来说本方法的工作方式。在一个长和宽都为140米的区域范围内分布有240个射频能量捕获传感器节点。现有5个规格相同的发送功率可调的射频能量源，假设射频能量源的发送功率分为5档，如下表1所示：
档位 发送功率值(相对值)
5档 31
4档 15
3档 7
2档 3
1档 1
表1
先将五个射频能量源的发送功率初始化为最高档5档，此时满足各个节点的能量需求。将发送功率可调低的能量源序号集合S初始化为S＝{1,2,3,4,5}。
然后针对将第1个能量源的发送功率降低一档该场景，根据如下公式计算区域中节点i从M个射频能量源捕获到的总的功率
假设此时区域中所有的节点捕获到的功率p(i)均大于等于节点所需功率pth，将该能量源序号1及第1个能量源降低的发送功率值31-15＝16添加到记录表中。
同第1个能量源以上操作一样，依次针对S中第2个、第3个、第4个和第5个能量源，判断是否发送功率下调一档仍然所有节点的能量捕获速率大于pth。假设第1个、第2个、第3个能量源满足条件，第4个能量源和第5个能量源不满足条件，从集合S中剔除，因此集合S＝{1,2,3}。于是记录表如下表2所示：
能量源序号 发送功率下调一档所带来的发送功率下降值
1 16
2 16
3 16
表2
此时存在多个下降的发送功率相同的能量源，则随机选取一个能量源，比如将第1个能量源的发送功率下降一档，即降成4档，同时清空记录表。
此轮功率下调结束后，各个能量源的发送功率如下表3所示：
能量源序号 发送功率档位 发送功率值
1 4 15
2 5 31
3 5 31
4 5 31
5 5 31
表3
接下来重复以上操作。针对S中所包含的第1个能量源，将第1个能量源的发送功率降低一档该场景，根据上述公式计算区域中节点i从M个射频能量源捕获到的总的功率假设此时所有的节点捕获到的功率p(i)均大于等于节点所需功率，将该能量源标号1及其对应降低的发送功率15-7＝8添加到记录表中。
同第1个能量源以上操作一样，依次针对S中所包含的第2个、第3个能量源，判断是否发送功率下调一档仍然所有节点的能量捕获速率大于pth。假设能量源2满足条件加入了记录表中，能量源3不满足条件，从集合S中剔除，因此集合S＝{1,2}。此时记录表如下表4所示
能量源序号 发送功率下调一档所带来的发送功率下降值
1 8
2 16
表4
此时能量源2的下降功率最大，因此将能量源2的发送功率下降一档，即降成4档。同时清空记录表。
此轮功率下调结束后，各个能量源的发送功率如下表5所示：
能量源序号 发送功率档位 发送功率值
1 4 15
2 4 15
3 5 31
4 5 31
5 5 31
表5
如果第三轮中，S中所包含的第1个能量源1和第2个能量源都不满足条件，则循环结束。最终各能量源发送功率配置结果为表6：
能量源序号 发送功率档位 发送功率值
1 4 15
2 4 15
3 5 31
4 5 31
5 5 31
表6。

Claims (1)

1.一种射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法，其特征在于：所述的射频能量捕获无线传感网的能量源发送功率配置方法包括以下步骤：
步骤一：将射频能量捕获无线传感网中所部署的M个射频能量源的发送功率都初始化为最高的那一档发送功率；
步骤二：将M个射频能量源从1到M逐个标上序号，并将发送功率可调低的能量源序号集合S初始化为S＝{1,2,…,M}；
步骤三：初始化k←0；
步骤四：令k←k+1，若k>M则跳到步骤九；
步骤五：如果则跳到步骤四；
步骤六：针对将第k个能量源的发送功率降低一档该场景，根据公式(1)计算网络中所部署的第i个传感器节点从M个能量源捕获到的总功率i∈{1,2,…,N}以及N是网络中节点个数，
<mrow> <msubsup> <mi>p</mi> <mi>h</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <mi>&amp;eta;</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>G</mi> <mi>s</mi> </msub> <msub> <mi>G</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>L</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>&amp;pi;d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msubsup> <mi>P</mi> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中η是整流效率，Gs是源天线增益，Gr是接收天线增益，Lp是极化损耗，λ是波长，di,j是节点i与能量源j之间的距离，是能量源j的发送功率；
步骤七：如果每个节点捕获到的总功率均大于等于节点所需的最低能量捕获功率pth，则将序号k以及第k个能量源发送功率下调一档所带来的发送功率下降值记录到功率下调信息表中；如果至少存在一个捕获到的总功率小于pth的节点，则从集合S中删除序号k，以表示第k个能量源的发送功率不可以再调低；
步骤八：跳到步骤四；
步骤九：如果功率下调信息表中不存在任何记录，则跳到步骤十一从而结束发送功率配置；否则在功率下调信息表中选取发送功率下降值最大的那个能量源，并将其发送功率降低一档，如果存在多个能量源具有相同且最大的发送功率下降值，则随机选取一个能量源，将该能量源发送功率降低一档；
步骤十：清空功率下调信息表中的所有记录，跳到步骤三；
步骤十一：结束。
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