一种用于多跳可充电传感网中的有向无线充电器部署方法与流程

本发明涉及一种用于多跳可充电传感网中的有向无线充电器部署方法，属于物联网无线可充电传感网领域。

背景技术：

无线传感器网络(wsn)通常由大量传感器节点组成，受限于传感器节点体积和成本的限制，通常其通过能量非常有限的电池供电，这成为制约传感器网络性能的关键。

近年来，无线充电技术(wpt)的发展和进步，为wsn的能量补充问题提供了切实可行的方案。可以由无线充电器充电的传感器网络称为无线可充电传感网(wrsn)，这种网络的一大特点是网络的寿命不再受电池寿命制约，无线充电器可以为传感网提供持续稳定的能量补充。在wrsn的无线充电方式中，主要分为两种，一种是移动式充电，即将移动装置(mobilecharger,mc)引入到无线充电器中，使其能够灵活移动为传感网充电；另一种为固定式充电，在这种充电方式中，充电器被预先固定到特定位置，这样做的好处是无线充电器能够直接接入到有线电网中，与移动式充电相比，由于其直接接入电网而无需依赖mc携带的电池，无线充电器所能提供的充电功率大大提高，其缺点也比较明显，和移动式充电相比灵活性低。移动式充电常用于节点之间相距较远的稀疏网络，而对于一些节点相距很近的粘稠网络，如室内条件下的某些应用，部署一个固定式无线充电器能够同时为多个附件节点充电，此时固定式充电则更为适用。

对于固定式无线充电而言，由于无线充电器价格不菲，在区域内布置数量较多的充电器并不现实，而移动式充电往往不能很好的适应节点的动态消耗，导致节点因不能及时被充电而失效，造成数据丢失，链路断开等严重后果。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种用于多跳可充电传感网中的有向无线充电器部署方法，本发明主要将固定式有向无线充电与多跳无线充电相结合，解决了固定式有向无线充电因充电范围小，而需要以极大成本部署数量众多的有向无线充电器的问题，借助谐振中继器，我们扩充了充电器的充电范围，并在一定程度上提升了充电效率，允许节点通过其附近的带有谐振中继器的其他节点获得电能，以此来降低无线充电器的部署数量。此外本发明还设计了寻找多跳充电覆盖路径的方法，能够保证节点经过多跳充电后，其充电损耗能够控制在合理的范围内。

本发明采用的技术方案是：一种用于多跳可充电传感网中的有向无线充电器部署方法，其特征在于，首先根据充电器的充电范围和节点的实际分布，确定区域圆大小并据此将整个区内节点分为若干个子区域，并在子区域中得出一系列充电器候选部署位置；其次，基于贪心原理设计了子区域内寻找多跳充电路径的方法，最后根据子区域内节点分布状况，设计了寻找充电器最优部署位置和方向的方法。

所述方法的具体步骤如下：

step1子区域划分

step1.1区域圆直径的确定

假设n个传感器节点随机分布在一个边长为a的正方形平面区域ω内，这n个传感器节点记为v＝{v1，v2，……，vn}，vi表示第i个传感器节点，这些传感器节点的位置均已知。待部署的m个有向无线充电器标记为c＝{c1，c2，……，cm}，其中有向无线充电器的个数m未知，每一个有向无线充电器ci均可以部署在平面区域ω内的任意位置，且朝向任意；

无线电能在自由空间中的传播，根据friis自由空间方程计算接收功率pr:

其中，lp为极化损失，β为短距离传输情况下friis自由空间方程的补偿参数。当传感器节点离充电器足够远时，其接收到的功率可以忽略不计，而对于有向无线充电器而言，还需有角度约束，因此最终给出以下确定传感器sj接收功率的式子：

当充电器的充电功率足够大时，通过以下积分描述充电器对某个区域的总充电功率：

式中积分区域σ表示充电区域。当充电区域为扇形时，根据式(3)能分别计算出扇形充电区域、区域圆、扇形充电区域与区域圆交集区域时的值psector、pcircular、pintersect：

其中为区域圆直径，a为扇形充电区域角度。进而给出以下占比评估式：

通过计算式(9)，我们选取取得极值时的值作为区域圆直径。

step1.2区域划分

首先找出直径为的区域圆能够覆盖最多节点集合的圆心所在区域，固定一个传感器节点v1，以该节点为圆心，为直径形成一个圆，此圆与其它节点形成的圆(直径同样为)相交。形成v1圆上的一段弧，该弧被v2圆重叠覆盖。若最终区域圆圆心落在该弧上，则一定能覆盖v2节点，依据此原理，对平面区域中每个节点以为直径画圆，对每一个圆，求其上的每段弧重叠次数，最终得出重叠次数最多的弧

此时，将以为直径的圆的圆心放置在弧上任意位置，即可得出被此圆覆盖的传感器集合c1，将集合c1所包含的传感器节点从集合v＝{v1，v2，……，vn}中移除，重复上述方法，直到传感器节点集合v变为空集，此时将得到子区域c1，c2…cn；

step2多跳充电覆盖方法

首先确定单个子区域内的多跳路径，遍历子区域内所有节点，区分被充电器直接覆盖的节点集合a＝{a1，a2，...，as，}与未被充电器覆盖的集合b＝{b1，b2，...，bq，}

分别计算集合b中的节点以集合a中的每一个节点为中继节点时，所能获得的充电功率：

从中选取具有最大值的由此可以初步将集合b中节点b1的上一跳中继节点设置为集合a中的节点ai；

对集合b中所有的节点执行步骤2，将得到集合b中每个节点的上一跳中继节点，从这些中继路径中选取具有最大接收功率值的那个路径apbq，并将此路径中原属于集合b的节点bq从集合b中删除并加入到集合a中，最终确定bq的上一跳中继节点为ap；

重复执行以上步骤，直至集合b为空为止，最终得到多条多跳充电覆盖路径p1＝{a1，b1}，p2＝{a1，b2}，p3＝{a3，b5，b6}，p4＝{a2，b3}……

step3充电器的部署

首先定义基于friis方程的距离dist(i，j)：

式中dij表示节点i和节点j的欧式距离。将子区域内节点p与该区域的代表ck之差用dist(p，ck)度量，子区域k的中心位置选取得合适与否可以用子区域内的变差来度量，它是子区域k中所有传感器节点和该区域的代表ck之间的误差平方和(基于friis方程的距离平方和)，定义为：

其中，ek为第k个子区域中所有传感器节点的位置的误差平方和；p为传感器节点，ck为子区域k的代表。此时选取ck的位置以使得ek取得最小值，得到的ck即为第k个子区域的中心。

过子区域中心ck向该区域的区域圆作垂线，形成一条构造线，将充电器摆放在这条构造线上，且充电器的朝向也为构造线方向，此时在此构造线上移动充电器，分别使用step2中的方法计算每个位置的充电效用，最终在取得峰值充电效用处停下，此时充电器的朝向与位置即为最终部署位置与朝向。

本发明的有益效果如下：

(1)充电效用最大化。基于贪心原理设计了寻找传感器节点多跳充电路径的方法，同时在子区域内得出一系列充电器候选部署位置，最终选取的多跳路径及充电器部署位置能保证系统内整体充电效用的最大化。

(2)多环境适应性。使用了一种圆覆盖子区域划分方法，与传统的均匀区域划分方法相比，此方法对于非均匀分布的传感网有更好的适应性。

(3)充电器部署数量最小。采用基于谐振中继器的技术，将原本较短较宅窄的充电范围通过多跳无线充电扩散开来，使得较少数量的有向充电器也能保存传感网长期存活。

附图说明

图1是本发明传感器与有向充电器的网络模型图；

图2是本发明实施例1具体实施方式示意图；

图3是本发明子区域节点选取示意图；

图4是本发明多跳覆盖路径选取示意图；

图5是本发明最终有向充电器部署情况示例图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

实施例：适用于多跳无线可充电传感网中的有向无线充电器部署方法，首先根据充电器的充电范围和节点的实际分布，确定区域圆大小并据此将整个区内节点分为若干个子区域，并在子区域中得出一系列充电器候选部署位置；其次，基于贪心原理设计了子区域内寻找多跳充电路径的方法，最后根据子区域内节点分布状况，设计了寻找充电器最优部署位置和方向的方法。

所述方案的具体步骤如下：

step1子区域划分

step1.1区域圆直径的确定

假设n个传感器节点随机分布在一个边长为a的正方形平面区域ω内，这n个传感器节点记为v＝{v1，v2，……，vn}，vi表示第i个传感器节点，这些传感器节点的位置均已知。待部署的m个有向无线充电器标记为c＝{c1，c2，……，cm}，其中有向无线充电器的个数m未知，每一个有向无线充电器ci均可以部署在平面区域ω内的任意位置，且朝向任意；

无线电能在自由空间中的传播，根据friis自由空间方程计算接收功率pr:

其中，lp为极化损失，β为短距离传输情况下friis自由空间方程的补偿参数。当传感器节点离充电器足够远时，其接收到的功率可以忽略不计，而对于有向无线充电器而言，还需有角度约束，因此最终给出以下确定传感器sj接收功率的式子：

当充电器的充电功率足够大时，通过以下积分描述充电器对某个区域的总充电功率：

式中积分区域σ表示充电区域。当充电区域为扇形时，根据式(3)能分别计算出扇形充电区域、区域圆、扇形充电区域与区域圆交集区域时的值psector、pcircular、pintersect：

其中为区域圆直径，a为扇形充电区域角度。进而给出以下占比评估式：

通过计算式(9)，我们选取取得极值时的值作为区域圆直径。

step1.2区域划分

首先找出直径为的区域圆能够覆盖最多节点集合的圆心所在区域，固定一个传感器节点v1，以该节点为圆心，为直径形成一个圆，此圆与其它节点形成的圆(直径同样为)相交。形成v1圆上的一段弧，该弧被v2圆重叠覆盖。若最终区域圆圆心落在该弧上，则一定能覆盖v2节点，依据此原理，对平面区域中每个节点以为直径画圆，对每一个圆，求其上的每段弧重叠次数，最终得出重叠次数最多的弧

此时，将以为直径的圆的圆心放置在弧上任意位置，即可得出被此圆覆盖的传感器集合c1，将集合c1所包含的传感器节点从集合v＝{v1，v2，……，vn}中移除，重复上述方法，直到传感器节点集合v变为空集，此时将得到子区域c1，c2...cn。

step2多跳充电覆盖方法

首先确定单个子区域内的多跳路径，遍历子区域内所有节点，区分被充电器直接覆盖的节点集合a＝{a1，a2，...，as，}与未被充电器覆盖的集合b＝{b1，b2，...，bq，}；

分别计算集合b中的节点以集合a中的每一个节点为中继节点时，所能获得的充电功率：

从中选取具有最大值的由此可以初步将集合b中节点b1的上一跳中继节点设置为集合a中的节点ai；

对集合b中所有的节点执行步骤2，将得到集合b中每个节点的上一跳中继节点，从这些中继路径中选取具有最大接收功率值的那个路径apbq，并将此路径中原属于集合b的节点bq从集合b中删除并加入到集合a中，最终确定bq的上一跳中继节点为ap；

重复执行以上步骤，直至集合b为空为止，最终得到多条多跳充电覆盖路径p1＝{a1，b1}，p2＝{a1，b2}，p3＝{a3，b5，b6}，p4＝{a2，b3}……

step3充电器的部署

首先定义基于friis方程的距离dist(i，j)：

式中dij表示节点i和节点j的欧式距离。将子区域内节点p与该区域的代表ck之差用dist(p，ck)度量，子区域k的中心位置选取得合适与否可以用子区域内的变差来度量，它是子区域k中所有传感器节点和该区域的代表ck之间的误差平方和(基于friis方程的距离平方和)，定义为：

其中，ek为第k个子区域中所有传感器节点的位置的误差平方和；p为传感器节点，ck为子区域k的代表。此时选取ck的位置以使得ek取得最小值，得到的ck即为第k个子区域的中心。

过子区域中心ck向该区域的区域圆作垂线，形成一条构造线，将充电器摆放在这条构造线上，且充电器的朝向也为构造线方向，此时在此构造线上移动充电器，分别使用step2中的方法计算每个位置的充电效用，最终在取得峰值充电效用处停下，此时充电器的朝向与位置即为最终部署位置与朝向。

如图1所示，为本实施例的传感器与有向充电器的网络模型图，整个系统由三个部分组成：少量有向充电器、一些装备谐振中继器的传感器节点和大量普通传感器节点，充电范围用虚线表示，红色阴影和蓝绿色阴影分别表示有向充电器的直接充电范围与通过谐振中继器进行多跳无线充电的充电范围。

图2是本发明实施例具体实施方式示意图；

图3是本发明实施例子区域节点选取示意图；

如图3所示，对每一个圆，求其上的每段弧重叠次数。p1圆与p2圆相交。p1上[π/3,π/2]的区间被p2覆盖。那么对于p1圆，我们在π/3处做一个-1标记，在π/2处做一个+1标记。将一个圆上的所有标记排序，从头开始扫描。初始ans＝0，碰到+1标记给ans++，碰到-1标记ans--。扫描过程中ans的最大值就是圆上被覆盖最多的弧，最终得出覆盖次数最多的弧可以确定的是，该子区域的区域圆圆心位于弧上，最终以为直径的圆的圆心放置在弧上任意位置，即可得出被此圆覆盖的传感器集合c1，此集合即为一个子区域。

图4是本发明实施例多跳覆盖路径选取示意图；

如图4所示，首先确定单个子区域内的多跳路径，遍历子区域内所有节点，区分被充电器直接覆盖的节点集合a＝{a1，a2，...，as，}与未被充电器覆盖的集合b＝{b1，b2，...，bq，}。分别计算集合b中的节点以集合a中的每一个节点为中继节点时，所能获得的充电功率：

如图4(a),从中选取具有最大值的由此可以初步将集合b中节点b1的上一跳中继节点设置为集合a中的节点ai，如图4(b)。

对集合b中所有的节点执行上一步骤，将得到集合b中每个节点的上一跳中继节点，从这些中继路径中选取具有最大接收功率值的那个路径apbq，并将此路径中原属于集合b的节点bq从集合b中删除并加入到集合a中，并最终确定bq的上一跳中继节点为ap,如图4(c)。

重复执行以上步骤，直到集合b为空为止。如图4(d)所示为最终谐振中继器部署情况。

图5是本发明实施例最终有向充电器部署情况示例图；

图中蓝色点表示传感器节点，红色阴影和蓝绿色阴影分别表示有向充电器的直接充电范围与通过谐振中继器进行多跳无线充电的充电范围。

上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。