CN108391273B - 一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法 - Google Patents

Abstract

一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法，针对给定传感器节点和射频能量源部署位置的情况，往网络区域中逐个放置基站，在达到每个节点的实际吞吐量不低于其吞吐量需求该前提下，尽可能降低基站的部署个数。该方法能找出较少基站部署个数的方案，达到降低网络部署成本的效果。

Description

一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法

技术领域

本发明涉及一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法，该方法适用于从专有射频能量源处捕获射频能量的无线传感器网络。

背景技术

具有从环境中捕获能量该功能的传感器节点突破了传统传感器节点有限生存时间的能量约束瓶颈，具有广泛的应用前景。从射频能量源捕获稳定的能量的无线传感器网络，节点通过单跳通信的方式将数据传递给某个基站是一种非常合适的数据传递方式。

根据香农定理可知，节点和基站距离越远，单位能耗所能换来的吞吐量越小。为了满足节点的吞吐量需求，在无线传感器网络区域中往往要部署多个基站，各个节点接入与其距离最近的基站上。效果不好的部署方案不仅不能满足每个节点的吞吐量需求，而且由于基站部署个数较多而导致较高的网络成本。

发明内容

为了克服现有射频能量捕获无线传感网中基站部署问题、能量捕获传感网部署成本较高的不足，本发明提出了一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法，该方法考虑不同节点有不同的数据传输速率需求的异构射频能量捕获无线传感网，在给定能量源和节点的部署位置以及给定每个节点的吞吐量需求的情况下，最少化基站部署的个数。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：

一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据射频能量捕获传感网中所部署的M个射频能量源和K个传感节点的物理位置，计算出每个节点k的能量捕获功率P_k，k＝1,2,…,K,然后设置节点的发送功率为αP_k，其中α是节点捕获的能量用于数据包发送的比例；

步骤二：对于k＝1,2,…,K，由节点k的发送功率αP_k和最低吞吐量需求

计算出节点k的需求半径r_k；

步骤三：根据射频能量捕获传感网中所部署的K个传感节点的物理位置，将覆盖全部节点且具有最小面积的长方形区域均匀分割为p×q个小长方形网格，并将这些网格标上序号，称为网格1、网格2、…、网格W，其中W＝p×q，每个网格的中心为基站可能放置的位置，p和q的取值保证每个网格的长和宽都小于等于min{r₁,r₂,...,r_K}的一半；

步骤四：初始化变量max＝0；

步骤五：设置j＝0；

步骤六：令j＝j+1，如果j≤W，执行步骤七，否则执行步骤九；

步骤七：对还没有被标记为删除状态的剩余节点，统计网格j在多少个剩余节点的需求圆内，用count表示统计出来的个数，其中一个节点的需求圆指的是以该节点为中心、该节点的需求半径为半径的所构成的圆；

步骤八：如果count>max，则max＝count，并设置index＝j，返回到步骤六；

步骤九：在序号为index的网格中心放置一个基站，并将需求圆覆盖到网格index的节点标记为删除状态；

步骤十：如果还存在剩余节点，执行步骤四，否则执行步骤十一；

步骤十一：结束；

进一步，所述的步骤一中，节点k的能量捕获功率P_k的计算如下：

其中η表示整流效率，G_s表示源天线增益，G_r表示接收天线增益，L_p表示极化损耗，λ₁表示供能信号波长，

表示节点k到第m个射频能量源的距离，P_t表示每个射频能量源的发射功率；

再进一步，所述的步骤二中，节点k的需求半径r_k计算方法如下：

其中

W是信道带宽，n₀是高斯白噪声的功率谱密度，λ₂为数据传输信号波长。

本发明的有益效果为：本发明是利用了一种低复杂度的启发式算法来解决基站最少化部署问题，使得在满足各个节点的吞吐量需求的基础上，最少化基站个数，达到降低网络部署成本的效果。

具体实施方式

下面对本发明做进一步说明。

一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：根据射频能量捕获传感网中所部署的M个射频能量源和K个传感节点的物理位置，计算出每个节点k的能量捕获功率P_k，k＝1,2,…,K,然后设置节点的发送功率为αP_k，其中α是节点捕获的能量用于数据包发送的比例；

步骤二：对于k＝1,2,…,K，由节点k的发送功率αP_k和最低吞吐量需求

计算出节点k的需求半径r_k；

步骤三：根据射频能量捕获传感网中所部署的K个传感节点的物理位置，将覆盖全部节点且具有最小面积的长方形区域均匀分割为p×q个小长方形网格，并将这些网格标上序号，称为网格1、网格2、…、网格W，其中W＝p×q，每个网格的中心为基站可能放置的位置，p和q的取值要足够大，以保证每个网格的长和宽都小于等于min{r₁,r₂,...,r_K}的一半；

步骤四：初始化变量max＝0；

步骤五：设置j＝0；

步骤六：令j＝j+1，如果j≤W，执行步骤七，否则执行步骤九；

步骤七：对还没有被标记为删除状态的剩余节点，统计网格j在多少个剩余节点的需求圆内，用count表示统计出来的个数，其中一个节点的需求圆指的是以该节点为中心、该节点的需求半径为半径的所构成的圆；

步骤八：如果count>max，则max＝count，并设置index＝j，返回到步骤六；

步骤九：在序号为index的网格中心放置一个基站，并将需求圆覆盖到网格index的节点标记为删除状态；

步骤十：如果还存在剩余节点，执行步骤四，否则执行步骤十一；

步骤十一：结束。

进一步，所述的步骤一中，节点k的能量捕获功率P_k的计算如下：

其中η表示整流效率，G_s表示源天线增益，G_r表示接收天线增益，L_p表示极化损耗，λ₁表示供能信号波长，

表示节点k到第m个射频能量源的距离，P_t表示每个射频能量源的发射功率；

进一步，所述的步骤二中，节点k的需求半径r_k计算方法如下：

其中

W是信道带宽，n₀是高斯白噪声的功率谱密度，λ₂为数据传输信号波长。

本发明考虑有专有射频能量源来给传感节点供应能量的无线传感网，在网络中，节点和能量源已经部署且坐标已知，节点以单跳通信的方式给基站发送数据。依据能量源和节点的位置计算出节点的能量捕获速率，并根据节点能量捕获速率和节点吞吐量需求，计算出节点的需求半径，最终根据节点需求半径来合理地在网络区域的某些位置放置基站，在保证每个节点的数据传输吞吐量不小于它的需求值该前提下，最小化基站部署的总个数，从而降低网络成本。

Claims (1)

1.一种射频能量捕获传感网基站最少化部署方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：根据射频能量捕获传感网中所部署的M个射频能量源和K个传感节点的物理位置，计算出每个节点k的能量捕获功率P_k，k＝1,2,…,K,然后设置节点的发送功率为αP_k，其中α是节点捕获的能量用于数据包发送的比例；节点k的能量捕获功率P_k的计算如下：

其中η表示整流效率，G_s表示源天线增益，G_r表示接收天线增益，L_p表示极化损耗，λ₁表示供能信号波长，

表示节点k到第m个射频能量源的距离，P_t表示每个射频能量源的发射功率；

步骤二：对于k＝1,2,…,K，由节点k的发送功率αP_k和最低吞吐量需求

计算出节点k的需求半径r_k；节点k的需求半径r_k计算方法如下：

其中

W是信道带宽，n₀是高斯白噪声的功率谱密度，λ₂为数据传输信号波长；

步骤三：根据射频能量捕获传感网中所部署的K个传感节点的物理位置，将覆盖全部节点且具有最小面积的长方形区域均匀分割为p×q个小长方形网格，并将这些网格标上序号，称为网格1、网格2、…、网格W，其中W＝p×q，每个网格的中心为基站可能放置的位置，p和q的取值保证每个网格的长和宽都小于等于min{r₁,r₂,...,r_K}的一半；

步骤四：初始化变量max＝0；

步骤五：设置j＝0；

步骤六：令j＝j+1，如果j≤W，执行步骤七，否则执行步骤九；

步骤七：对还没有被标记为删除状态的剩余节点，统计网格j在多少个剩余节点的需求圆内，用count表示统计出来的个数，其中一个节点的需求圆指的是以该节点为中心、该节点的需求半径为半径的所构成的圆；

步骤八：如果count>max，则max＝count，并设置index＝j，返回到步骤六；

步骤九：在序号为index的网格中心放置一个基站，并将需求圆覆盖到网格index的节点标记为删除状态；

步骤十：如果还存在剩余节点，执行步骤四，否则执行步骤十一；

步骤十一：结束。