一种基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法技术

本发明专利技术涉及一种基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法，属于无线可充电传感器网络的节点能量补充领域。在无线可充电传感器网络中，节点能量不足时会向移动充电装置发送充电请求信息，移动充电装置根据提出的虚拟力模型分别计算所有需要充电的节点对移动充电装置产生的虚拟引力，移动充电装置在最大引力的作用下移动到新的位置并对缺电的节点进行能量补充。本发明专利技术通过综合考虑传感节点的剩余能量以及节点与移动充电装置的距离构建虚拟力模型，提高了充电的公平性并为延长无线传感网络的网络生存周期提供了一种新的方法。

A virtual force based mobile energy supplement for Wireless Sensor Networks

The invention relates to a virtual force based mobile energy supplement method for wireless sensor networks, which belongs to the field of node energy replenishment in wireless rechargeable sensor networks. In the wireless sensor network to rechargeable, mobile charging device sends a charging request information of node energy is insufficient, the virtual mobile charging device node gravity were calculated according to the need of charging all virtual force model is put forward for the mobile charging device, mobile charging device at the maximum under the action of gravity to move to a new location and node of power shortage the added energy. The invention constructs a virtual force model by considering the residual energy of the sensor nodes and the distance between the nodes and the mobile charging device, which improves the fairness of the charging and provides a new method for prolonging the network life cycle of the wireless sensor network.

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法
本专利技术涉及一种基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法，属于无线可充电传感器网络
，
技术介绍
由传感器节点和移动的充电装置组成的无线可充电传感器网络存在巨大潜力，为众多应用提供了多样化的服务，如商业中的监视和控制系统，天气监测、医疗健康系统监测和战场监视等。在这些系统中，大量廉价的传感器被部署在检测领域来感测环境和接收数据信息。由于传感器节点通常部署在恶劣的环境中，其所能携带的电池能量是十分有限的，在耗尽能量时不能及时充电或更换电池，这将导致网络无法正常运行降低了网络生存周期。要想无线传感器网络在没人干涉的情况下运行很长时间，如何高效地为当前能量不足的节点补充能量就成为当前无线传感器研究的一个重要领域。在当前研究阶段，无线能量补充技术在最近几年得到了很大的发展，学术界也做出了很多优秀的工作。这些工作可以分为两类：一类是周期性进行能量补充的离线方式；另一类是感知传感器节点的剩余能量，移动充电装置实时进行充电决策的在线方式。离线方式是通过周期性的遍历为传感器节点补充能量，通过利用充电装置可控的移动性，有的学者考虑了无线充电和数据收集，并提出了优化数据速率、链路激活和路由以及充电装置移动路线的算法。有的学者对每个充电周期中充电装置空闲时间最大化问题进行了形式化和求解，提出了一个集中式的无线充电与路由问题的联合优化策略对于离线无线充电方案，由于节点处于环境中，环境中事件的发生和持续时间往往通常是偶然且难以预料的，因而网络中传感器节点的能量消耗率表现出高度的动态性。因此预先确定充电路径和调度并周期性的充电往往不能很好适应节点能量消耗的动态变化，可能导致部分节点因为能量不足而死亡。在线方式又被称为基于事件驱动的充电方式中，节点自主检查自身能量状况，一旦剩余能量低于预设的阈值，即发出充电请求。有学者提出了为传感器节点提供按需无线充电方式，采用了NJNP策略来选择下一个充电节点，从理论上进行分析和求解并给出了解决策略，但是没有考虑对充电请求响应的公平性，容易导致节点失效现象。还有的学者提出了基于对传感器节点剩余能量的实时感知的能量补充算法，但其关注的重点在于节点激活/休眠的调度策略。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术提出首先为优先级最大的节点进行充电，避免了节点因能量耗尽而死亡，从而延长了网络生存时间，其实现该充电方法为：无线传感器网络中的传感器节点向移动充电装置提出充电请求，移动充电装置收集所有请求充电节点的位置和剩余能量信息，综合传感器节点的剩余能量以及节点与移动充电装置的距离来构建虚拟力模型，计算每个需要补充能量节点对移动充电装置的虚拟力大小，移动充电装置始移动到对其虚拟力最大的节点对其进行能量补充，具体步骤如下：Step1移动充电装置首先检查服务池中是否存在请求充电的节点，当前出现第一个节点请求充电时，移动充电装置则向该节点运动，为其充电；Step2如果存在多个节点，则将多个请求加入服务池，并对服务池的节点进行虚拟力大小的计算，按照虚拟力的大小进行降序排列，选出队列中的队首节点即虚拟力最大的节点，移动充电装置为其服务，向该节点移动；Step3每隔一定时间间隔，移动充电装置重新检查服务池，如果有新的节点请求充电则继续加入到服务池，并重新计算服务池中各节点的虚拟力大小，选取新的队首的节点并向该节点移动为其充电；Step4网络中出现一半节点因能量耗尽而死亡则整个充电过程结束，否则再次回到step1不断循环往复。其中Step2和Step3中移动充电装置会判断是否已经到达当前需要充电的节点，如果移动充电装置已经到达当前请求充电的节点，则移动充电装置的状态为忙碌，并为节点充电且当前不可被其他节点的请求抢断；如果移动充电装置未移动到当前节点，且服务池的节点顺序发生改变，即队首的节点发生变化，则表明又新的对移动充电装置吸引力更大的节点加入到充电服务池，此时移动充电装置状态为非忙碌，则移动充电装置被新的节点抢断，并为之服务。其中Step1中的虚拟力模型建立如下：所有传感器节点对移动充电装置都有虚拟引力的作用，这就像万有引力一样，故根据物理学中的万有引力类比得到传感器节点i的虚拟引力模型其中，Q表示节点i从当前能量值到被充满所需要的能量，m表示移动充电装置的剩余能量,因为移动充电装置能量一般视为无限大且其不耗能，故可合并到ka，Ka的值通过时仿真实验取得最优值，η表示节点所需补充能量的参数，可调整剩余能量和距离之间的权重。然后分别计算出节点i与汇聚节点之间的虚拟引力，即：其中ka为常量，表示虚拟引力因子，dis为节点i与移动充电装置s间的距离，N表示全部节点集。对η的取值做出理论分析，为了便于分析，给出简化模型，考虑两个节点A和B同时请求充电的场景。节点初始能量为r，节点能量达到阈值的时候会请求充电，阈值为rmin。活跃状态下能量消耗率α，充电速度为θ，充电装置与每个节点的平均距离d，移动充电装置的速度为v。现在移动充电装置需要给两个节点A和B充电，二者的剩余电量分别为q1和q2，分别需要Q1和Q2的电量才能被充满电，Q1＜Q2且距离移动充电装置的距离分别为d1和d2，d2/d1＝n,令F1＜F2，移动充电装置先给B节点充电，tw设为A节点的等待充电时间，tr为A节点的最大容忍时间，且需满足tw＜tr。1)对于Q1和Q2,Q1＜Q2,d2＜d1,即n∈(0,1]，对于任意η值，都有F1＜F2恒成立。2)对于Q1＜Q2,d2＞d1,且n∈(1,∞),当F1＜F2时，由F1/F2＝(Q1/Q2)η·(d2/d1)，F1/F2＜1两个公式可以推出η＜ln(d1/d2)/ln(Q1/Q2)，令η取到最大值，本文令B节点的剩余能量取满足移动充电装置到达需要充电的节点处且令节点不失效的条件下需要的最少能量，即q2＝(d2/v)·α，而q1的值为需要满足该节点因等待充电所需消耗的最小能量，即应该满足公式(4)，由于A因等待而消耗的能量不应大于其节点能量阈值的一半，我们可得出公式(6)，进而求出1<n<4。接下来本文使用求解线性规划问题的方法来得到η的取值范围并通过仿真实验取得最佳值。然后令d1/d2＝x,Q1/Q2＝y。maxln(x)/ln(y)(3)s.t:q1＝[(2d1+d2)/v+(Q1/θ)]·α(4)q2＝(d2/v)·α(5)q1＜rmin/2(6)y∈[Q1/(r-d1·α/v),Q1/(r-d2·α/v)](7)最终得出η的取值范围为1<η<24，通过仿真实验验证最佳的η值为6，ka＝10。Step2中根据公式(1)计算出虚拟引力的最大值：本专利技术的有益效果是：(1)与公知方法相比，本方法考虑到当前充电方法没有足够的重视充电公平性的问题，通过建立虚拟力模型，本专利技术根据节点剩余能量信息以及节点与充电装置的距离动态规划移动充电装置的移动路径很好地进行充电决策，为延长网络生存周期提供了一种新的思路。(2)本专利技术相比一些同样使用在线模式的方法有着更好的充电公平性和更长的生存周期，说明本专利技术中的移动充电装置能更好的为节点充电并兼顾公平性。由于本专利技术着重考虑了节点的剩余能量信息和节点与移动充电装置的距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法，其特征在于：无线传感器网络中的传感器节点向移动充电装置提出充电请求，移动充电装置收集所有请求充电节点的位置和剩余能量信息，综合传感器节点的剩余能量以及节点与移动充电装置的距离来构建虚拟力模型，计算每个需要补充能量节点对移动充电装置的虚拟力大小，移动充电装置始移动到对其虚拟力最大的节点对其进行能量补充，具体步骤如下：Step1移动充电装置首先检查服务池中是否存在请求充电的节点，当前出现第一个节点请求充电时，移动充电装置则向该节点运动，为其充电；Step2如果存在多个节点，则将多个请求加入服务池，并对服务池的节点进行虚拟力大小的计算，按照虚拟力的大小进行降序排列，选出队列中的队首节点即虚拟力最大的节点，移动充电装置为其服务，向该节点移动；Step3每隔一定时间间隔，移动充电装置重新检查服务池，如果有新的节点请求充电则继续加入到服务池，并重新计算服务池中各节点的虚拟力大小，选取新的队首的节点并向该节点移动为其充电；Step4网络中出现一半数量的节点因能量耗尽而死亡则整个充电过程结束，否则再次回到step1不断循环往复。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法，其特征在于：无线传感器网络中的传感器节点向移动充电装置提出充电请求，移动充电装置收集所有请求充电节点的位置和剩余能量信息，综合传感器节点的剩余能量以及节点与移动充电装置的距离来构建虚拟力模型，计算每个需要补充能量节点对移动充电装置的虚拟力大小，移动充电装置始移动到对其虚拟力最大的节点对其进行能量补充，具体步骤如下：Step1移动充电装置首先检查服务池中是否存在请求充电的节点，当前出现第一个节点请求充电时，移动充电装置则向该节点运动，为其充电；Step2如果存在多个节点，则将多个请求加入服务池，并对服务池的节点进行虚拟力大小的计算，按照虚拟力的大小进行降序排列，选出队列中的队首节点即虚拟力最大的节点，移动充电装置为其服务，向该节点移动；Step3每隔一定时间间隔，移动充电装置重新检查服务池，如果有新的节点请求充电则继续加入到服务池，并重新计算服务池中各节点的虚拟力大小，选取新的队首的节点并向该节点移动为其充电；Step4网络中出现一半数量的节点因能量耗尽而死亡则整个充电过程结束，否则再次回到step1不断循环往复。2.根据权利要求1所述的基于虚拟力的无线传感器网络移动能量补充方法，其特征在于：所述Step2和...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯勇，吴渊，钱谦，付晓东，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53