CN111867031B - 一种基于聚类的射频能量源布置和发送功率设置方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于聚类的射频能量源布置与发射功率设置方法，针对给定捕获射频能量的节点位置、节点能量捕获功率需求值、射频能量源布置的个数以及总能量源功率约束的情况，聚类算法将传感器节点分为与能量源个数相等的簇，将簇心作为能量源的布置位置，再通过贪婪算法得到每个能量源的分配功率。最终得到能量源布置位置选取与能量源的发射功率设置。本发明的方法实现了射频能量源的布置位置与发射功率的合理设置，使较多节点的能量捕获功率需求得到满足。

Description

一种基于聚类的射频能量源布置和发送功率设置方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络中一种基于聚类的射频能量源布置和功率分配方法，该方法适用于传感器节点能够捕获射频能量的无线传感器网络。
背景技术
电磁波作为一种无处不在、绿色环保且可持续的能源，越来越受到学术界和工业界的重视。射频能量捕获无线传感网就是一种捕获环境中的射频能并转化成电能以支持节点持续性工作的新型网络。
但是现阶段射频能量捕获传感器节点捕获环境中的射频能的速率还是非常得低，这是该类新型网络广泛应用的瓶颈之一。为了克服这个弱点，部署专用射频能量源给节点供电同时调整能量源发射功率，是一种可行有效的方法。
由于射频能在传输过程中会损耗一定的能量，即能量源距离节点越远，节点捕获到的射频能越少，节点的能量捕获功率取决于能量源的布置位置。另外，节点往往有能量捕获功率需求值，比如说该值为节点的平均功耗，实际捕获功率超出需求值的多余部分，不会带来任何效益。因此，针对给定捕获射频能量的节点位置、节点能量捕获需求值、射频能量源总发送功率约束以及待布置的能量源个数该类场景，通过粒子群算法寻找合适的能量源布置位置和分配功率，联合优化使得达到能量捕获功率需求值的节点个数与总结点个数比值较大，即节点覆盖率较大，是射频能量捕获网络需要解决的重要问题之一。
目前已有的一些射频能量源布置与发射功率设置方法以最小化满足所有节点能量捕获功率需求所需布置的能量源个数、最大化节点总能量捕获功率等为目标，几乎没有以覆盖率为优化目标的射频能量源布置与发射功率设置方法。
发明内容
针对待布置的射频能量源个数、节点的能量捕获功率需求值给定的情况，为了克服现有射频能量源布置与发射功率设置方法无法达到高节点覆盖率的不足，本发明提供一种有效的基于聚类的射频能量源布置和功率分配方法，实现了射频能量源的布置位置与发射功率的合理设置，使较多节点的能量捕获功率需求得到满足。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于聚类的射频能量源布置和发送功率设置方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：对于有N个已经布置好的捕获射频能量的传感器节点，随机选择M 个传感器节点所在的位置，作为M个簇的簇心，其中M是有待布置的射频能量源的个数；
步骤2：把每个传感器节点分到离其最近的簇心所代表的类簇中，并统计所属簇发生变更的传感器节点个数S；
步骤3：更新每个簇的簇心为簇内所有节点的质心，即将簇心的横、纵坐标设置为簇内所有节点的横、纵坐标的平均值；
步骤4：如果S大于0，跳到步骤2，否则跳到步骤5；
步骤5：根据当前的节点聚类结果，将M个射频能量源布置在各个簇心的位置，并将每个能量源的发送功率初始化为0；
步骤6：遍历所有未达到射频能量捕获功率需求值δ的传感器节点和当前发送功率小于最大发送功率Pmax的能量源，在这些节点和能量源中找到相互距离最近的一对(传感器节点，能量源)；
步骤7：针对找到的(传感器节点，能量源)，将该能量源发送功率提高到该传感器节点的能量捕获功率恰好是δ；如果提高后的发送功率大于能量源功率上限 Pmax，则将该能量源的发送功率修正为Pmax；
步骤8：为每个传感器节点nk，k＝1,2,…,N,根据公式(1)计算节点nk从M个射频能量发送源捕获的总功率xk，
Figure BDA0002543194010000021
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，dk,j是节点nk与第j个射频能量发送源之间的距离，Pj是第j个射频能量源的发送功率；
步骤9：遍历所有未达到射频能量捕获功率需求值δ的传感器节点和当前发送功率小于最大发送功率Pmax的能量源，在这些传感器节点中找到能量捕获功率最高的传感器节点ni和离它最近的能量源sj；
步骤10：针对能量源sj，提高其发送功率直到传感器节点ni的能量捕获功率恰好是δ；如果提高后的发送功率大于能量源功率上限Pmax，则将其修正为Pmax；
步骤11：如果M个能量源总功率大于额定总功率Pth，将能量源sj的发送功率降低到M个能量源总功率恰好等于额定总功率Pth，跳转到步骤12，否则跳转到步骤 8；
步骤12：结束。
本发明的有益效果表现在：据给定捕获射频能量的节点位置、节点能量捕获需求值以及待布置的能量源个数，确定射频能量源布置与发射功率设置，使较多的节点能量捕获功率到达其需求值。
具体实施方式
下面对本发明做进一步说明。
一种基于聚类的射频能量源布置和发送功率设置方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：对于有N个已经布置好的捕获射频能量的传感器节点，随机选择M 个传感器节点所在的位置，作为M个簇的簇心，其中M是有待布置的射频能量源的个数；
步骤2：把每个传感器节点分到离其最近的簇心所代表的类簇中，并统计所属簇发生变更的传感器节点个数S；
步骤3：更新每个簇的簇心为簇内所有节点的质心，即将簇心的横、纵坐标设置为簇内所有节点的横、纵坐标的平均值；
步骤4：如果S大于0，跳到步骤2，否则跳到步骤5；
步骤5：根据当前的节点聚类结果，将M个射频能量源布置在各个簇心的位置，并将每个能量源的发送功率初始化为0；
步骤6：遍历所有未达到射频能量捕获功率需求值δ的传感器节点和当前发送功率小于最大发送功率Pmax的能量源，在这些节点和能量源中找到相互距离最近的一对(传感器节点，能量源)；
步骤7：针对找到的(传感器节点，能量源)，将该能量源发送功率提高到该传感器节点的能量捕获功率恰好是δ；如果提高后的发送功率大于能量源功率上限 Pmax，则将该能量源的发送功率修正为Pmax；
步骤8：为每个传感器节点nk，k＝1,2,…,N,根据公式(1)计算节点nk从M个射频能量发送源捕获的总功率xk，
Figure BDA0002543194010000031
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，dk,j是节点nk与第j个射频能量发送源之间的距离，Pj是第j个射频能量源的发送功率；
步骤9：遍历所有未达到射频能量捕获功率需求值δ的传感器节点和当前发送功率小于最大发送功率Pmax的能量源，在这些传感器节点中找到能量捕获功率最高的传感器节点ni和离它最近的能量源sj；
步骤10：针对能量源sj，提高其发送功率直到传感器节点ni的能量捕获功率恰好是δ；如果提高后的发送功率大于能量源功率上限Pmax，则将其修正为Pmax；
步骤11：如果M个能量源总功率大于额定总功率Pth，将能量源sj的发送功率降低到M个能量源总功率恰好等于额定总功率Pth，跳转到步骤12，否则跳转到步骤 8；
步骤12：结束。
针对给定每个传感器节点物理位置、给定节点的能量捕获功率需求值的无线射频能量捕获传感器网络来说明本发明的具体实施方案。
本实施例使用K-Means聚类算法来寻找较优的射频能量源布置，再通过贪婪算法寻找较优的射频能量源发送功率设置。
首先是进行射频能量源布置。对于N个给定位置的传感器节点，M个能量源部署个数，首先通过聚类算法，将传感器分为M个簇群：先随机选择M个传感器节点作为簇群的中心，遍历N个传感器，将传感器分到簇新距离它最近的簇群。再次更新M个簇群的簇新，将其设为质心。不断迭代更新，直到各个簇内的节点不再发生变化，将最终的M个簇心坐标定为M个能量源的布置位置。
接着是进行射频能量源发送功率设置，通过贪心选择，来分配M个能量源的功率。先选择距离最近的能量源与节点对，针对找到的一对(传感器节点，能量源)，将该能量源提高其发送功率直到该传感器节点的能量捕获功率恰好是δ。如果提高后的发送功率大于能量源功率上限Pmax，则将该能量源的发送功率修正为 Pmax。更新所有传感器的节点的当前能量捕获功率。在尚未达到能量捕获功率需求值的节点中，找到能量捕获功率最大的节点，并找到发送功率未超Pmax的能量源中距离该节点最近的能量源。提高该能量源发送功率直到该传感器节点的能量捕获功率恰好是δ。如果提高后的发送功率大于能量源功率上限Pmax，则将该能量源的发送功率修正为Pmax。更新所有节点。不断寻找(能量源，节点)对，直到分配功率总和超过总功率约束，将最后更新的能量源发送功率减去现分配功率与总功率约束的差值。
算法结束后，得到能量源的布置坐标和相应的发送功率设置。

Claims (1)

1.一种基于聚类的射频能量源布置和发送功率设置方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1：对于有N个已经布置好的捕获射频能量的传感器节点，随机选择M个传感器节点所在的位置，作为M个簇的簇心，其中M是有待布置的射频能量源的个数；
步骤2：把每个传感器节点分到离其最近的簇心所代表的类簇中，并统计所属簇发生变更的传感器节点个数S；
步骤3：更新每个簇的簇心为簇内所有节点的质心，即将簇心的横、纵坐标设置为簇内所有节点的横、纵坐标的平均值；
步骤4：如果S大于0，跳到步骤2，否则跳到步骤5；
步骤5：根据当前的节点聚类结果，将M个射频能量源布置在各个簇心的位置，并将每个能量源的发送功率初始化为0；
步骤6：遍历所有未达到射频能量捕获功率需求值δ的传感器节点和当前发送功率小于最大发送功率Pmax的能量源，在这些节点和能量源中找到相互距离最近的一对传感器节点和能量源；
步骤7：针对找到的一对传感器节点和能量源，将该能量源发送功率提高到该传感器节点的能量捕获功率恰好是δ；如果提高后的发送功率大于能量源功率上限Pmax，则将该能量源的发送功率修正为Pmax；
步骤8：为每个传感器节点nk，k＝1,2,…,N,根据公式(1)计算节点nk从M个射频能量发送源捕获的总功率xk，
Figure FDA0004088488150000011
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，dk,j是节点nk与第j个射频能量发送源之间的距离，Pj是第j个射频能量源的发送功率；
步骤9：遍历所有未达到射频能量捕获功率需求值δ的传感器节点和当前发送功率小于最大发送功率Pmax的能量源，在这些传感器节点中找到能量捕获功率最高的传感器节点ni和离它最近的能量源sj；
步骤10：针对能量源sj，提高其发送功率直到传感器节点ni的能量捕获功率恰好是δ；如果提高后的发送功率大于能量源功率上限Pmax，则将其修正为Pmax；
步骤11：如果M个能量源总功率大于额定总功率Pth，将能量源sj的发送功率降低到M个能量源总功率恰好等于额定总功率Pth，跳转到步骤12，否则跳转到步骤8；
步骤12：结束。
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