无线可充电传感网络的定向充电基站部署方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线可充电传感器网络领域，特别涉及一种无线可充电传感网络的定 向充电基站部署方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会的发展和科技的进步，无线充电技术越来越广泛地应用于RFID和传感器 等设备以及智慧电网和土木结构监测等领域中。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] 关于无线可充电传感网络中基站部署问题的解决方案，研究者们针对不同的充电 模型提出了相应的解决方法。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心算法。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。吴以凡 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。这些基站部署方法并不能直接适用于可旋转的定向无线充电基站的应用场景。因此，本 发明提出针对可旋转定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定向充电基站部署方法。首先，将某个 传感器作为传感器集合的初始元素，根据其他传感器到这个传感器的距离，从近到远依次 将其他传感器加入到集合中，直到集合足够大，以至于当添加下一个传感器时，一个基站不 能为这个集合中所有传感器充电为止。重复上述过程，从而为每个传感器都计算出它们的 传感器集合。其次，对于给定的若干个传感器集合，根据推广的费马点收敛算法，分别求出 每个集合所对应的候选基站部署位置信息。然后，根据候选基站的信息，计算各个传感器的 出现频次。最后，优先选择能够为最多的未被充电的传感器充电的基站。如果有多个这样的 基站，就从这些基站所对应的所有传感器中筛选出现频次最少的那个传感器，选择为该传 感器充电的基站作为结果。重复选择候选基站的过程，直到所有传感器都能被充电为止。
[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定向充电基站部署方法，采用的无线可充电传感网络为： 在一个二维平面上，随机部署了 N个可充电传感;采用的无线充电模型为:定向基站在一个 时刻只能为一个传感器充电，但通过旋转充电天线的方向，能够在一个时间段内的不同时 刻为不同传感器充电，同时，一个传感器只能被一个定向基站充电；具体包括如下步骤：
[0007] 步骤1:求出存在可行基站的传感器集合；
[0008] 步骤2:求出传感器集合的结果集RFS对应的候选基站集合；
[0009] 步骤3:计算传感器的出现频次；
[0010] 步骤4:从候选基站中选择尽量少的基站；
[0011] 步骤1所述的求出存在可行基站的传感器集合，首先在一个二维平面上，随机部署 了 N个可充电传感器，并将某个传感器作为传感器集合的初始元素，用S={si，s2,…， SN}代 表传感网络中的N个传感器;然后采用如下步骤：
[0012] 1-1、初始化j = 1，令可行基站的传感器集合的结果集RFS为空；
[0013] 1-2、计算第j个传感器Sj与其他N-1个传感器之间的距离，并将它们从小到大依次 排序为s'Vsb，一，sVi，令传感器集合SS= {sj}，传感器集合SS中初始元素个数k=l;
[0014] 1-3、判断传感器集合SS是否存在一个可行基站位置，若存在，则进行步骤1-4;若 不存在，则转到步骤1-5;
[0015] 卜4、若k = N，则转到步骤卜6,否则，将传感器s\添加到集合SS中，并令k = k+l，返 回步骤1-3;
[0016] 1-5、令k = k-l，并将最后添加的传感器sjk从集合SS中删去；
[0017] 1-6、将集合SS添加到可行基站的传感器集合的结果集RFS中，若j = N+l，算法终 止，否则令j = j+1，返回步骤1-2。
[0018] 步骤2所述的求出传感器集合的结果集RFS对应的候选基站集合，具体如下：
[0019] 给定一个传感器集合55' = {8'1，8'2，...，8\}，求出该集合55'的可行基站的位置 Cl，即求出满足
的(^的位置;其中，Pw谦示第j个传感器s'」的能量消 耗速率;d(Cl，S'j)代表可行基站(^与传感器S'j的距离;P(d)为充电效率函数，是严格单调 递减函数，取值与距离d (Ci, s'j)有关，函数方程为
7 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;方程化简后可得，求解候选基站位 置，即要求出
的最小值；
[0020] 将求解费马问题的收敛算法推广到求解上述问题中：横纵坐标的迭代函数为
-其中xj，yj表示传感器s ' j 的二维坐标，x，y表示上一次迭代时可行基站Ci的坐标；当距离d(ci，s'j)大于D时，对Target 的结果值进行惩罚；同时，选取未越界，即d(Cl，S'j)小于等于D的初始位置进行迭代；当算法 迭代到固定次数，或两次迭代的结果相差小于某个阈值时，算法结束;此时，即可求得候选 基站的部署位置 Cl。
[0021 ]步骤3所述的计算传感器的出现频次，具体如下：
[0022]每个候选基站都对应一个需要它充电的传感器集合;根据当前的候选基站的信 息，计算出各个传感器在当前的候选基站中的出现频次。
[0023 ]步骤4所述的从候选基站中选择尽量少的基站，首先从步骤3中得到传感器的出现 频次，之后具体如下操作：
[0024] 4-1、初始化未充电传感器集合S' = {si，S2，"_，sn}，定义待选择基站集合BS与最终 基站集合Res为空；
[0025] 4-2、按照步骤3中的方法，计算所有传感器的出现频次，从中筛选出所有出现频次 为1的传感器，找出为这些传感器充电的基站，并将这些基站记录到待选择基站集合BS中；
[0026] 4-3、将待选择基站集合BS中的信息添加到最终基站集合Res中，根据最终基站集 合Res的信息，重新计算未充电传感器集合S'，若S'为空，则算法结束，否则，按照步骤3中的 方法，重新计算未充电传感器集合S'中各个传感器的出现频次；
[0027] 4-4、清空待选择基站集合BS，从候选基站中挑选包含更新后传感器集合S'中传感 器个数最多的基站，并将这几个基站记录到集合BS中，如果BS只包含一个基站，则转到步骤 4-3;
[0028] 4-5、得到待选择基站集合BS包含的基站对应的所有传感器TempS = {s'1，"_，s'k} 中，从TempS中筛选出出现频次最少的传感器S ' min，并得到为传感器S ' min充电的基站，令待 选择基站集合BS只包含这个基站，转到步骤4-3。
[0029]本发明的有益效果：
[0030] 1.本发明针对可旋转定向充电基站的应用，详细考虑了无线传感网络中的分时充 电模型，更加符合实际应用场景。
[0031] 2.本发明采用了两个基于贪心的启发式算法，提升了算法的运行速度，从而能够 适用于可充电传感器数量较大的应用场景。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明采用的无线可充电传感网络和充电模型示意图；
[0033] 图2为本发明进行可旋转定向基站部署的具体流程图；
[0034] 图3(a)和(b)为求解可行基站的传感器集合的示意图；
[0035] 图4(a)和(b)为传感器出现频次示意图；
[0036] 图5(&)、（13)、（(：）、（(1)、（6)、（〇为基站选择算法的运行过程示意图。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0038] 本发明主要提出一种无线可充电传感网络的定向充电基站部署方法。所有的可充 电传感器，除了各自的消耗功率不同之外，其他规格均相同。一个传感器只能被一个定向基 站充电。定向充电基站的规格也都相同，基站在一个时刻只能为一个传感器充电，但它们可 以通过旋转充电天线的方向，从而在一个时间段内的不同时刻为不同传感器充电。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传感器都能 持续工作的前提下，需要找到一种定向基站的部署策略，并使得部署策略中的基站个数尽 量少。
[0039] 本发明使用的是可旋转的定向充电基站模型。它的充电区域是一个扇形，扇形的 夹角与定向充电天线的物理参数有关，因此，它只能为一个特定的方向提供能量。但是，在 充电时，它可以通过旋转充电方向，从而为多个方向分时地充电，因此，我们需要考虑基站 的充电时间分配问题。值得注意的是，当无线充电天线进行旋转时，必然会造成其他方向的 传感器不能被充电的情况。此时，还需要考虑到传感器的剩余能量可能会被耗尽等情况。
[0040] 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传感器 都能持续工作的前提下，本发明需要找到一种定向基站的部署策略，使得需要的基站个数 尽量少。
[0041] 根据图1的分时充电模型示意图，本发明采用的无线充电模型为:定向基站在一个 时刻只能为一个传感器充电，但它可以通过旋转充电天线的方向，从而在一个时间段内的 不同时刻为不同传感器充电。同时，一个传感器只能被一个定向基站充电。
[0042]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。
[0043] 步骤1:求出存在可行基站的传感器集合
[0044] 在一个二维平面上，随机部署了 N个可充电传感器，并将某个传感器作为传感器集 合的初始元素，根据其他传感器到这个传感器的距离，从近到远依次将其他传感器加入到 集合中，直到集合足够大，以至于当添加下一个传感器时，一个基站不能为这个集合中所有 传感器充电为止。重复上述过程，从而为每个传感器都计算出它们的传感器集合。
[0045] 我们用S={S1，s2,…，sN}代表传感网络中的N个传感器。此时，求出存在可行基站 的传感器集合，可以分为以下六步：
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