无线可充电传感网络的全向充电基站部署方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线可充电传感器网络领域，特别设及一种无线可充电传感网络的全 向充电基站部署方法。
【背景技术】
[0002] 随着无线充电技术的发展，无线可充电传感器网络已被广泛用于区域监控，科学 探测，环境监测，目标跟踪等领域。在无线可充电传感器网络的应用中，充电基站需要按照 可充电传感器、充电基站和充电模型的特点进行部署，满足使整个传感网络持续运行的要 求。因此，充电基站的部署问题是无线可充电传感网络应用中十分重要的问题。
[0003] 目前，关于无线可充电传感网络的基站部署问题，针对不同的充电基站模型，研究 者们提出了相应的基站部署方法。吴W凡等人在专利《一种面向传感器网络的非接触式充 电节点部署方法》(专利号:CN201310276000.X)中，针对保证所有传感器节点持续工作的同 时最小化充电节点数量的问题，提出了一种非接触式充电节点的部署方法。该方法在网格 化传感器节点所分布区域的基础上，选择最优网格点作为部署下一个充电节点的位置，直 到所有传感器节点均被充电。戴海鹏等人在《一种高效有向无线充电器的布置算法》一文 中，针对最大化整个传感网络的无线充电效益的问题，提出了一种近似的贪屯、算法。它基于 离散化的充电效率函数，对有限个数的定向基站充电范围进行了几何分析和变换，把原问 题重构为具有子模性的问题，进而得出最大化网络充电效益的定向基站部署方案。前人提 出的基站部署方法并不能直接适用于全向无线充电基站的应用场景。因此，本发明提出针 对全向充电模型的基站部署方法。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种无线可充电传感网络的全向充电基站部署方法。首先，对充电 效率函数进行离散化。本发明根据充电效率函数P(d)和给定的离散化常数e，将充电效率离 散成等比的L份。此时，充电基站到传感器的距离也被划分成L份，当两个基站与某传感器之 间的距离在同一份中时，近似认为基站的充电效率相同。接着，通过画圆得出子区域。W传 感器为圆屯、，W被划分的L个距离为半径，可W画出L个同屯、圆。为网络中的N传感器画圆，总 共可W得到N礼个圆。此时，整个平面区域将被运些圆划分成若干个子区域。易知，在同一子 区域内的两个基站，对所有传感器的充电效率都相同。然后，对全向充电基站的充电功率进 行分配。根据离散后的充电效率函数，将基站充电区域内的传感器按照充电效率从大到小 降序排列。基站优先为充电效率高的传感器充电。最后，选择尽量少的基站。计算每个子区 域中基站的充电效用，选择充电效用最高的基站，更新整个传感网络中各个传感器所需求 的电量。重复执行运个过程，直到所有传感器所需求的电量都为零。
[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案步骤如下：
[0006] 无线可充电传感网络的全向充电基站部署方法，采用全向充电基站模型；且采用 的无线可充电传感网络为在一个H*w的二维平面上，随机部署了 N个可充电传感器;每个全 向充电基站能为同时为多个传感器充电，同样每个传感器也能同时被多个全向充电基站充 电，具体部署步骤如下：
[0007]步骤1:对充电效率函数进行离散化；
[000引步骤2:通过画同屯、圆得出子区域；
[0009] 步骤3:分配全向充电基站的充电功率；
[0010] 步骤4:选择基站最少的作为部署方案；
[0011] 步骤1所述的对充电效率函数进行离散化，具体如下：
[0012] 将充电效率函数P(d)按照给定的离散化常数e分成等比的L份；也就是说，把
中距离d的取值范围分成L份，分别为[Do, DiL (Di，02]，…， (Dl-I，Dl]，并满足
；其中，a和e是 由充电硬件决定的参数值，D为充电装置的最大充电距离，Do = O,化=D;可得离散化后的充 电效率函数为
；当两个基站与某传感器之间的距离 在同一个取值范围内时，运两个基站对传感器充电时的充电效率相同。
[0013] 步骤2所述的通过画同屯、圆得出子区域，具体如下：
[0014] 对于每个传感器，都W传感器自身为圆屯、，分别W距离Di，D2,…，Dl为半径，画出L 个同屯、圆；在拥有N个可充电传感器的传感网络中，一共可W画出N*L个圆；此时，整个平面 区域被划分成的子区域总数X为X含（N ? U2-N ? L+2;易知，在同一子区域内的两个基站，对 所有传感器的充电效率都相同。
[0015] 步骤3所述的对全向基站的充电功率进行分配，具体如下：
[0016] 根据离散化的充电效率函数，将全向充电基站充电区域内的传感器按照充电效率 从大到小降序排列，基站优先为充电效率高的传感器充电；其次当基站C被部署在某个子区 域时，根据该基站与所有传感器S={si，S2,…，Sn}的距离，将充电效率分成L份，并将传感器 按照充电效率从高到底排列，得L个传感器集合Si，S2，…，Si，…，Sl ; L个传感器集合的充电 优先级从高到低为Sl〉S2>…乂L ;
[0017] 设传感器S巧单位时间内的能量消耗为Pwj，则单位时间内任意一个基站C拥传感 器Sj分配的电量不应该超过;即基站Cl对传感器Sj分配的充电功率有一个上界，为
[0018] 用CM代表全向充电基站的最大输出功率，则对全向充电基站的充电功率进行分配 分为W下步骤：
[001 9] 3-1、初始化1 = 1，基站未分配的充电功率CMremain = CM ;
[0020] 3-2、判断CMremain是否为0，若是，分配方案结束；
[0021] 3-3、判断集合Si是否为空集，若是，转到步骤3-5;
[0022] 3-4、将CMremain平均分配给Sl中的所有传感器，并保证每个传感器分配到的充电功 率不超过其充电功率上界；
[0023] 3-5、1 = 1 + 1，判断1是否大于^若是，则分配方案结束；否则，根据步骤3-4中基站 充电功率的分配结果，重新计算基站未分配的充电功率CMremain,转到步骤3-2。
[0024] 步骤4所述的选择基站最少的作为部署方案，具体如下：
[0025] 首先:单位时间内在保证自身持续工作时，传感器应该获得的最少能量，称为能量 需求；当传感器Sj不被任何基站充电时，其能量需求为Pwj;当传感器能够持续工作时，其能 量需求为0;当传感器只被提供了部分能量AE时，其能量需求为Pwj-AE;
[0026] 传感器Sj从基站Cl获得的不会被浪费的充电功率，称为基站Cl对传感器S非勺有效 充电功率左单位时间内充电基站Cl对传感网络中所有传感器的有效充电功率之和，称为 巧 基站的充电效用与； J=I
[0027] 其次：用整数向量K=化i，k2,…，kx}表示X个子区域中部署的全向充电基站个数； 带上界约束的启发式贪屯、算法，具体包括W下步骤：
[002引4-1、初始化部署策略K=化i，k2,…，kx}，令其中所有的值均为0,根据步骤4中的描 述，计算出所有传感器的电量需求Req={reqi,req2，'''，reqN};
[0029] 4-2、根据传感器的电量需求Req，根据步骤4中的描述，计算出所有子区域中，每个 基站位置的充电效用E=巧i，E 2,…，EX};
[0030] 4-3、从所有基站位置中选择充电效用最高的基站位置Cl,并令部署策略K中的ki = ki+1;其中i表示第i个子区域；
[0031] 4-4、根据部署策略K，按照根据步骤4中的描述，重新计算整个传感网络中各个传 感器的电量需求Req;若Req中的值都为零，则得到一个可行的部署策略K;否则，转到步骤4-2;
[0032] 4-5、计算部署策略K中所有元素之和Sum K;若Sum K〉N，则令部署方案K为充电基 站与传感器--对应的情况;否则，当沉im K^N时，部署方案K不需要被修改;算法结束。
[0033] 本发明的有益效果：
[0034] 1.本发明针对全向充电基站的应用，详细考虑了无线传感网络中多个基站的协作 W及基站充电功率的分配模型，更加符合实际应用场景。
[0035] 2.本发明采用了带上界约束的启发式贪屯、算法，既能够保证较快的运行时间，又 能保证结果的准确度，能够适用于传感器规模较大的应用场景。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明采用的无线可充电传感网络模型示意图；
[0037] 图2为本发明进行全向充电基站部署的具体流程图；
[0038] 图3为划分子区域的示意图；
[0039] 图4(a)和(b)为全向充电基站充电功率分配示意图；
[0040] 图5(a)-(f)为有效充电功率和充电效用的示意图。
【具体实施方式】
[0041] 本发明主要提出一种无线可充电传感网络的全向充电基站部署方法。所有可充电 传感器，除了各自的消耗功率不同之外，其他规格均相同，一个传感器同时能被多个全向充 电基站充电。全向充电基站的规格也都相同，基站同时能为多个传感器充电，但它的能量输 出功率有上限。在一个H*W的二维平面上，随机部署了 N个可充电传感器。在保证整个传感网 络中所有的传感器都能持续工作的前提下，需要找到一种全向充电基站的部署策略，并使 得所需的基站总个数尽量少。
[0042] 本发明使用的是全向充电基站模型。它的充电区域是圆形，因此，它同时能为多个 传感器充电。但是，全向充电基站的能量输出功率有上限，因此，需要考虑基站的充电功率 分配问题。除此之外，还需要考虑一个传感器应该被哪些基站充电等情况。
[0043] 根据图1的无线可充电传感网络模型示意图，本发明采用的无线可充电传感网络 为:在一个H*W的二维平面上，随机部署了 N个可充电传感器。在保证整个传感网络中所有的 传感器都能持续工作的前提下，需要找到一种全向充电基站的部署策略，并使得所需的基 站总个数尽量少。本发明采用的无线充电模型为:一个全向充电基站同时能为多个传感器 充电。同样，一个传感器同时也能被多个全向充电基站充电。
[0044] 下面结合附图，对本发明的具体实施方案作进一步详细描述。其具体步骤描述如 图2所示。
[0045] 步骤1:对充电效率函数进行离散化
[0046] 将充电效率函数P(d)按照给定的离散化常数e分成等比的L份。也就是说，把
中距离d的取值范围分成L份，分别为[Do，Di]，（Di，〇2]，…， (〇叫，化]，并满足-
。其中，a和0是 由充电硬件决定的参数值，D为充电装置的最大充电距离，Do = O,化=D。可得离散化后的充 电效率函数为
。当两个基站与某传感器之间的距离 在同一个取值范围内时，运两个基站对传感器充电时的充电效率相同。
[0047] 步骤2:通过画同屯、圆得出子区域
[004引对于每一个传感器，都W传感器自身为圆屯、，分别W距离化，…，化为半径，画出 L个同屯、圆。在拥有N个可充