一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法

本发明涉及无线传感器网络，特别涉及一种应用于偏远环境密集监测的网络能量自维持调度方法。

背景技术：

1、随着智能电网、智慧农业等物联网应用的规模化发展，孤岛微电网和精准农业等各种新兴业务对网络数据感知的深度和广度提出了更高的要求，使得网络需部署大量感知节点支撑精益感知、分级处理、区域自治等新型调控模式需求。作为感知层的无线传感网凭借易部署、可扩展、自组网等特点，可全方位灵活控制物联网应用各环节信息感知的深度和广度，实时监测和掌握网络各环节设备的运行参数，提升远程监控网络精准控制和智能调度水平。然而，一方面，受传感器自身体积小、功耗低等特征影响，能量限制问题成为影响其可扩展性的关键，特别是在地理位置偏远的地方，电网接入困难，补能设备难以抵达，能耗较高。另一方面，伴随着配电网大规模感知设备的接入，传统oma模式已难以适应大规模终端互联场景，特别是在正交资源有限的6g以下频段，频谱资源愈发紧张，难以支撑大量设备的高速数据传输。同时，多设备接入在共享通信资源时产生的干扰需要网络采用更高的发送功率发送信息，造成能量需求再次增大。物联网系统需要采用新技术满足终端有效接入的同时保证其服务质量和能耗约束，提高频谱效率。因此，如何解决传物联网传感器的能量限制和频谱限制，实现物联网能量自维持前提下的大规模终端接入是物联网发展中的一个关键问题。

2、不同于正交多址接入（oma），非正交多址接入（noma）技术允许多个传感器节点复用同一资源块，使得同一射频链路能够同时支持多个传感器节点，打破射频链路对传感器节点接入量的限制，提升网络频谱效率，同时noma可通过平等共享频谱保证传感器节点之间的公平性，实现大规模连接，满足物联网海量传感器节点接入需求。noma技术在扩大物联网连接容量的同时，也给接收端串行干扰消除带来了严重的计算复杂度。现有上行链路noma接入研究主要集中于改善系统的频谱效率，解决最大化系统和速率（吞吐量）下的资源分配问题，对于提高系统能量效率研究较少。尤其是针对新能源接入下的上行noma研究更少。

3、传统的能效研究主要集中在通过降低节点能耗来延长网络生命周期，如低成本通信、占空比、自适应控制、mac（多路访问控制）/路由协议。然而，这种单一的节流控制在一定程度上牺牲网络性能，如增大网络时延，降低网络可靠性。而且，定期更换电池或充电面临着成本昂贵，便利性差，危险系数高等问题。能量收集和储存技术的成功在突破wsn（无线传感网）能量受限瓶颈，延长网络寿命，为物联网提供实时和高质量的监测和跟踪服务提供了极大帮助。能量捕获技术（环境能量捕获和无线充电技术）充分利用环境微能量，如太阳能，风能，热能，振动能等去延长网络生命周期，平衡网络能量供应。相较于其他能量源，太阳能拥有更高的功率密度，更好的地理灵活性，易于安装，周期可用，为偏远网络提供了一种可持续的能量供应。然而，因太阳能时空变换带来的随机性和波动性使得其难以直接给网络提供稳定服务。相反，无线充电技术，如无线电发射，从指定发射装置给无线充电节点发射射频能量，其是可控和确定的。但wpt（无线电能传输）的长距离衰减效应不可忽视，现有解决方法主要集中在利用移动充电车对节点进行点对点充电。但mc（移动充电车）不仅具有较高的操作和维护成本，而且在复杂环境下难以通过，如遇到树木，山川，河流等。mc需要花费更多的时间绕道抵达待充电节点。如果考虑能耗和有限的电池储能，mc可能会在行进过程中面临能量耗尽，其严重影响着大规模wsn的应用。近期，利用射频能量的能量信息二重性的swipt（无线携能通信）被广泛应用来提高网络能效，然而，无论mc，还是swipt都需要定期从电网补能来维持网络需求，过度依赖于网络地理位置和电网（移动充电装置）补能，特别不适合偏远环境监测的wsn。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述不足，提供一种应用于偏远环境监测的光伏捕能混合多址接入能量自维持调度方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，其包括如下步骤：

4、（1）初始化网络环境，大量无源传感节点静态随机分布在感知区域进行环境监测并标记自身坐标信息，基于能量全覆盖需求和节点混合多址接入模式，分布式均衡部署光伏捕能及存储装置；

5、（2）根据光伏捕能特性和网络能量自维持需求，构建无线传感网光伏捕能簇头的部署总成本最小化函数；

6、（3）根据光伏捕能特性和大规模终端noma接入正确解码约束，建立能量感知noma分簇函数；

7、（4）根据光伏捕能簇头“采集-存储-利用”协议协同全双工携能共传机制，建立网络光伏捕能簇头总能耗函数；

8、（5）根据光伏供能混合tdma-noma多址接入机制，建立网络数据传输总吞吐量函数；

9、（6）根据网络光伏捕能簇头部署、适配noma协议的节点分簇、光伏能量捕获-存储-利用的因果限制和网络服务质量约束要求，构建网络能量自维持下的能效最大化调度函数；

10、（7）基于dinkelbach多层迭代解耦优化算法联合优化所述noma感知分簇函数、所述光伏捕能簇头总能耗函数和所述网络数据传输总吞吐量函数，选取网络能效最大化的能量调度方案，完成光伏能量自维持密集无线传感网络的建立。

11、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述部署总成本包括光伏装置部署成本、各簇簇内和簇间距离成本。

12、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述部署总成本最小化函数为：

13、，

14、，

15、，

16、，

17、，

18、，

19、其中，表示捕获单位能量的光伏装置部署成本，c表示单个光伏捕能设备成本，表示簇头的平均光伏能量捕获量；表示网络传输单位数据的平均路由成本，表示簇头集，表示簇内节点集，为各簇头到sink节点的平均距离，和分别表示第个和第个光伏捕能簇头，表示簇头和簇头之间的欧氏距离，为簇头与其簇内节点之间的欧氏距离， 、均表示无源传感节点，；均为0-1指示变量，当表示节点被选为簇头，当表示节点为普通传感节点，当表示节点隶属于簇头，当表示节点不属于簇头的noma簇集合；

20、约束c1表示一个光伏捕能周期内，簇头能量需满足能量中立操作；其中，表示节点的能耗，表示簇头的光伏捕能量，表示将光伏捕能周期分成个时帧， t表示时帧；

21、约束c2和c3表示所有节点均被分配，且每个节点仅隶属于一个簇头；

22、约束c4表示均为0-1指示变量，当表示节点被选为簇头，当表示节点隶属于簇头。

23、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述节点的能耗为：

24、，

25、其中，表示传感器节点信号发射固定能耗，表示节点数据上传速率，表示节点所在簇分配的数据上传时间。

26、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述簇头在一个时帧 t捕获的能量为：

27、，

28、其中，表示太阳能转换效率；表示光照辐度满足均值为，方差为的高斯分布； w表示簇头部署的太阳能板面积， t表示一个数据传输周期。

29、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述步骤（1）中，网络采用混合tdma-noma方式进行数据采集传输，各簇头之间通过tdma在自身分配时隙进行数据传输，簇内节点采用noma模式向其簇头上传数据，其余时隙簇头向簇内节点广播能量，光伏捕能簇头能量广播总能耗受簇头电池当前可用能约束；在noma集群中，各传感节点基于noma协议将信息同时上传至簇头，接收端采用sic机制解码各传感器节点信息，簇内各节点需满足noma正确解码约束。

30、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述能量感知noma 分簇函数为：

31、 ，

32、，

33、，

34、，

35、其中，是一个指示变量， 表示节点隶属于簇头，表示节点不属于簇头；表示光伏捕能簇头的初始可用能；表示节点到簇头的信道增益；表示节点到簇头的信干噪比；表示干扰阈值；表示簇头集；

36、各传感节点基于noma协议将信息同时上传至簇头，接收端采用sic机制解码各传感器节点信息，簇头处的接收信号满足：

37、，

38、其中，表示节点向簇头上传数据时的发射功率，表示节点的发射信号，表示接收端噪声。

39、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述网络光伏捕能簇头总能耗函数为：

40、，

41、其中，表示簇头集，；表示时帧 t簇头向簇内节点进行能量广播的发射功率，受装置最大发射功率约束，表示簇头分配的数据上传时间，表示簇头能量广播时间。

42、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述步骤（4）中，光伏捕能簇头采用“采集-存储-利用”协议协同全双工携能共传机制进行能量广播，簇头的能量队列可表示为：

43、，

44、其中，和分别表示簇头在时帧 t的初始可用能和末端可用能，表示簇头的光伏捕能量；表示时帧 t簇头向簇内节点进行能量广播的发射功率，受装置最大发射功率约束，表示簇头分配的数据上传时间，表示簇头能量广播时间；在时隙 t的广播能量受限于簇头能量缓存队列当前可用能，满足约束。

45、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述网络数据传输总吞吐量为所有簇内节点经noma协议上传数据吞吐量之和。

46、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述网络数据传输总吞吐量函数为：

47、，

48、其中，表示节点的分簇决策；表示各簇时隙分配决策；表示簇头能量广播发射功率分配决策；

49、表示簇头集，表示簇头分配的数据上传时间，表示簇内节点集，是指示变量， 表示节点隶属于簇头， 表示节点不属于簇头；表示节点到簇头的信道增益，表示节点向簇头上传数据时的发射功率；表示接收端噪声功率；表示第个簇的簇内节点在单位带宽下的吞吐量。

50、进一步的，所述的一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，所述能效最大化调度函数为：

51、，

52、，

53、，

54、，

55、，

56、，

57、，

58、，

59、，

60、其中，表示节点的分簇决策；表示各簇时隙分配决策；表示簇头能量广播发射功率分配决策；表示网络光伏捕能簇头总能耗，表示簇头集；

61、约束c1表示光伏捕能簇头能量广播发射功率不能超过最大发射功率；

62、约束c2-c3表示簇头在一个数据传输周期内的广播能量值不能超过初始可用能，且储能量不超过电池容量；

63、约束c4表示一个数据传输周期 t的时隙分配约束；表示簇头分配的数据上传时间；

64、约束c5表示网络服务质量约束，是网络应用需求下的最小吞吐量；

65、约束c6是保证网络所有节点成功解码的关键；表示节点到簇头的信干噪比，表示干扰阈值；

66、约束c7是一个指示变量，表示节点隶属于簇头， 表示节点不属于簇头；

67、约束c8表示每个节点仅隶属于一个簇头。

68、本发明的优点与效果是：

69、1. 本发明提出了一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，其采用分布式光伏发电代替电网供能，考虑簇头能量中立操作和簇内簇间距离成本，提高了光伏捕能簇头部署的网络均衡性和能量全覆盖，实现了网络能量自维持前提下的总成本最小化。同时利用携能共传技术优化调度部署于网络簇头上的光伏能量，从而提高光伏能量的利用率，摆脱网络对移动充电装置的依赖，实现网络在单一太阳能供能下的能量自维持和网络能效最大化。

70、2. 本发明提出了一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，其在能量侧采用分布式光伏发电代替电网供能，利用携能共传技术优化调度部署于网络簇头上的光伏能量，从而提高光伏能量的利用率，摆脱网络对移动充电装置的依赖；在数据传输侧，采用基于分簇聚类的混合noma-tdma多址接入协议进行数据上传、融合和转发，在提升网络可扩展性的同时降低接收端复杂度，在分布式光伏捕能簇头能量全覆盖部署下，联合优化noma分簇、簇头能量广播功率及对应时隙分配实现网络在单一太阳能供能下的能量自维持和网络能效最大化。

71、3. 本发明提出了一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，其考虑了面向光伏供能物联网的高能效低复杂度混合多址接入模式；在下行能量供应链路中，光伏捕能簇头全天候捕获并存储太阳能为网络提供持续的能量供应，各传感节点基于swipt技术周期性补能并进行信息感知；在上行数据传输链路中，网络采用基于分簇聚类的混合noma-tdma多址接入协议进行数据上传、融合和转发，在提升网络可扩展性的同时降低接收端复杂度。

72、4. 本发明提出了一种应用于偏远环境密集监测网络的能量自维持调度方法，其通过引入全双工模式下的swipt，摆脱了传统补能对移动辅助补能装置（移动充电车）的依赖。通过构建混合tdma-noma多址接入模式，在分布式光伏捕能簇头能量全覆盖部署下，联合优化noma分簇、簇头能量广播功率及对应时隙分配实现了可持续光伏捕能网络能效最大化。