一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，应用在由若干传感器节点、一个基站和一个移动节点组成的无线传感器网络中，在每一轮数据收集及充电任务完成后重新生成移动节点的访问序列，在新一轮任务中移动节点遍历所述访问序列中的节点进行数据收集及充电，所述生成移动节点的访问序列的方法包括：构建最大化充电能量消耗与移动能量消耗比值的优化目标及其限制条件；使用启发式算法获取访问序列及移动节点在访问序列中每个节点处的驻留时间。本发明专利技术的基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，通过无线充电技术来补充网络中传感器节点的能量，实现了数据收集的同时进行充电，延长了无线传感器网络的生命周期。

【技术实现步骤摘要】

本项专利技术属于无线传感
，特别涉及一种通过能够移动的传感器节点在网络中进行数据收集的同时补充其他传感器节点的能量的方法，进而实现延长网络生存期的技术。
技术介绍
无线传感器网络是由部署在特定区域内的大量无线传感器节点通过自组织方式形成的无线网络。典型的无线传感器网络是在监测区域部署若干传感器节点，通过多跳的方式将感知到的数据发送到汇聚节点(基站)。基站通过Internet或卫星等手段将监测数据发送到任务管理中心进行处理。通过在不同的环境中部署传感器，人们可以便捷的获取各种环境数据并转化为人们需要的信息，实时掌握周遭环境的动态变化。目前，无线传感器网络广泛应用于军事、航空、医疗和环境监测等多个领域。传感器节点的能量主要消耗于感知、通信及计算等功能上，由于传感器节点所能携带的能量有限，随着能量的耗尽其也无法再正常工作。传感器节点的能量限制了无线传感器网络的生存期，成为需要解决的关键问题之一。为了延长无线传感器网络的生存期，如何进行数据收集是重点考虑的问题之一。在传统的无线传感器网络中，传感器节点通过多跳的方式向基站传输数据。基站附近的节点由于需要转发大量数据而导致能量提前耗尽而失效，从而极大地影响了整个网络的性能。不少研究通过引入能量较为充足的移动节点收集网络中固定节点的数据以减轻传感器节点的负担，平衡网络节点负载，从而改善网络性能。除了通过改善数据收集方法优化网络生存期外，能量采集也是延长网络生存期考虑的方向之一。传感器可以收集周围环境中的能量，如太阳能、振动能、风能等来弥补自身能量的不足。单是由于这些可再生能源都依赖于不断变化着的外部环境且能量收集设备尺寸较大，所以在实际应用中限制较多。近年来，随着无线电力传输技术的发展，为解决无线传感器网络的生存期问题提供了一个可行的方法。无线充电技术可以确保源源不断的能量供应且不易受到周围环境的影响，因此广泛应用于多个领域，包括射频识别便签，传感器和移动电话等。基于无线充电这项新兴技术，最近的研究提出了在无线传感器网络中引入移动节点为传感器节点补充能量，这样就能延长网络生命期，目前比较直观的做法是移动节点周期性地访问网络中的每个节点并为其充电。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，通过无线充电技术来补充网络中传感器节点的能量，实现了数据收集的同时进行充电，延长了无线传感器网络的生命周期。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，应用在由若干传感器节点、一个基站和一个移动节点组成的无线传感器网络中，在每一轮数据收集及充电任务完成后重新生成移动节点的访问序列，在新一轮任务中移动节点遍历所述访问序列中的节点进行数据收集及充电，所述生成移动节点的访问序列的方法包括：构建最大化充电能量消耗与移动能量消耗比值的优化目标及其限制条件；使用启发式算法获取访问序列及移动节点在访问序列中每个节点处的驻留时间。构建的优化目标用如下方式表示：限制条件用如下方式表示：Ei≥Emin,1≤i≤nEi+U·Ti≤Emax,1≤i≤n其中，ηc表示移动节点为传感器节点充电时的输出功率；ηT表示移动节点移动时输出功率；U表示实际有效充电功率，U＜ηC；Tvac表示移动节点在基站处的逗留时间；TD表示网络中传感器节点的数据交付时延；Ei表示传感器节点能量，Emin表示传感器节点有效的最低能量，Emax表示传感器节点的总能量；pi表示传感器节点i的能量消耗功率；Ti表示移动节点在传感器节点i处的驻留时间；Tm表示移动节点的移动时间；所述ηC、ηT、U、Tvac、TD、Ei、Emin、Emax均为已知量。所述传感器节点i的能量消耗功率pi用如下方式表示：其中，ρ表示传感器节点接收单位数据消耗的能量；fki表示接收数据的能耗；fij表示传感器节点i向传感器节点j发送数据的速率；fiM表示传感器节点i向移动节点M发送数据的速率；CiM表示传感器节点i发送单位数据到移动节点M消耗的能量；表示传感器节点i发送单位数据到传感器节点j消耗的能量，β1和β2为常数，Dij表示节点i与节点j的距离，α表示路径衰减系数。使用启发式算法获取访问序列及移动节点在访问序列中每个节点处的驻留时间的方法具体包括：将无线传感器网络分割为若干个正方形网格子区域；每个子区域组成一个簇，每个区域中心作为本区域的簇心；计算簇内传感器节点的总能量，并根据剩余能量从低到高排序，运行TSP算法得到时延限制内移动节点能访问的最大簇心集合作为候选簇；将候选簇内的所有传感器节点按剩余能量从低到高进行排序作为候选节点集，计算每个候选节点充满电需要花费的时间，作为驻留时间；在候选节点集中加入基站，运行TSP算法得到时延限制内移动节点的访问序列和在每个节点处的驻留时间。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术的一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，通过无线充电技术来补充网络中传感器节点的能量，实现了数据收集的同时进行充电，延长了无线传感器网络的生命周期。以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法不局限于实施例。附图说明图1为本专利技术的生成移动节点的访问序列的流程图；图2为本专利技术的移动式数据收集及充电模型；图3为本专利技术的基于分簇的移动节点数据收集和访问序列生成过程图；图4为使用本专利技术方法、NJNP和JMD三种不同方法得到的网络生存期与数据收集时延的关系；图5为使用本专利技术方法、NJNP和JMD三种不同方法得到的网络生命期与节点移动速度的关系。具体实施方式一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，应用在由若干传感器节点、一个基站和一个移动节点组成的无线传感器网络中，在每一轮数据收集及充电任务完成后重新生成移动节点的访问序列，在新一轮任务中移动节点遍历所述访问序列中的节点进行数据收集及充电，如图1所示，所述生成移动节点的访问序列的方法包括：步骤101，构建最大化充电能量消耗与移动能量消耗比值的优化目标及其限制条件；步骤102，使用启发式算法获取访问序列及移动节点在访问序列中每个节点处的驻留时间。需要说明的是，本专利技术中提及到的传感器节点指固定的传感器节点；移动节点指能够移动的传感器节点。如图2所示，在一个K*Km2的区域内分布有n个传感器节点，传感器节点的集合记为N＝{1，2，…，n本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，其特征在于，应用在由若干传感器节点、一个基站和一个移动节点组成的无线传感器网络中，在每一轮数据收集及充电任务完成后重新生成移动节点的访问序列，在新一轮任务中移动节点遍历所述访问序列中的节点进行数据收集及充电，所述生成移动节点的访问序列的方法包括：构建最大化充电能量消耗与移动能量消耗比值的优化目标及其限制条件；使用启发式算法获取访问序列及移动节点在访问序列中每个节点处的驻留时间。

【技术特征摘要】
1.一种基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，其特征在于，应用在由若干传感器节点、一个基站和一个移动节点组成的无线传感器网络中，在每一轮数据收集及充电任务完成后重新生成移动节点的访问序列，在新一轮任务中移动节点遍历所述访问序列中的节点进行数据收集及充电，所述生成移动节点的访问序列的方法包括：构建最大化充电能量消耗与移动能量消耗比值的优化目标及其限制条件；使用启发式算法获取访问序列及移动节点在访问序列中每个节点处的驻留时间。2.根据权利要求1所述的基于时延受限的无线传感网中移动式能量补充方法，其特征在于，构建的优化目标用如下方式表示：maxηC·Σ1≤i≤nTiηT·Tm]]>限制条件用如下方式表示：Σ1≤i≤npi≤U·Σ1≤i≤nTi]]>Tvac+Tm+Σ1≤i≤nTi≤TD]]>Ei≥Emin,1≤i≤nEi+U·Ti≤Emax,1≤i≤n其中，ηC表示移动节点为传感器节点充电时的输出功率；ηT表示移动节点移动时输出功率；U表示实际有效充电功率，U＜ηC；Tvac表示移动节点在基站处的逗留时间；TD表示网络中传感器节点的数据交付时延；Ei表示传感器节点能量，Emin表示传感器节点有效的最低能量，Emax表示传感器节点的总能量；pi表示传感器节点i的能量消耗功率；Ti表示移动节点在传感器节点i...

【专利技术属性】
技术研发人员：王田，缪海星，蒋文贤，王文华，吴尤可，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35