一种适于无线可定位传感网络的节点优化部署方法技术

本发明专利技术属于无线传感器网络领域，涉及一种适于无线可定位传感网络的节点优化部署方法。该方法以处理无线可定位传感网络节点优化部署为目的，步骤为：获取分立状态下传感节点天线增益估计模型；构建联立状态下的双偶极子天线辐射增益模型和场强估计模型；通过移动充电器、传感节点和普通节点之间的通信获得优化目标函数；采用基于信息正迁移机制的多任务进化算法对目标函数进行优化，获得传感节点最优部署方式。本发明专利技术的特点是，有效提高了充电器的能量利用率，降低充电失活时间，同时实现整个系统高精度定位和大范围覆盖的要求。

【技术实现步骤摘要】
一种适于无线可定位传感网络的节点优化部署方法
本专利技术属于无线传感器网络领域，涉及一种适于无线可定位传感网络的节点优化部署方法。
技术介绍
得益于无线通信技术、遥感技术、计算机技术和微型电子制造技术的迅速发展，无线可充电传感器网(WirelessRechargeableSensorNetworks，WRSNs)应运而生并得到广泛应用。与传统的由电池供电的节点不同，无线可充电传感器网络中的传感节点通过射频信号等能源来收集能量，充电过程受周围环境变化的影响较小，能够有效延长网络的正常工作寿命。在WRSNs中，传感节点的部署方式是影响充电时间、充电效率和普通节点定位精度的重要因素，基于WRSNs的节点优化部署已成为业界的研究热点。在基于WRSNs的节点优化部署系统中，节点资源规划旨在提高充电器的能量传输率，降低能量损耗，节点资源规划问题可以分为两种情况：基于充电器的资源规划问题和基于传感节点的资源规划问题。当充电器对传感节点进行充电时，空间中传输的微波能量会随着距离的增加而衰减，当没有传感节点接收该能量时，会出现能量浪费的情况，因此充电器与传感节点的位置部署对节点资源规划问题的影响较大。然而现有无线充电研究通常将传感节点的位置固定，然后在网络中部署可移动的充电设备，利用路径寻优算法规划其最优行经路线，而没有考虑传感节点位置部署动态变化的情况对充电问题的影响。同时在现有针对能量传输模型的研究中，传感节点通常基于自适应分布式算法，通过调整自身的最优数据传输速率、链路流量和路由路径与周围普通节点进行通信，而没有基于天线辐射特征构建能量传输模型。基于以上背景，本专利技术以实现更高能量传输率、更高定位精度和更大覆盖范围为目标，采用双偶极子天线辐射增益模型作为移动充电器、传感节点与普通节点之间的能量传输模型，通过优化传感节点的位置和姿态获得最小充电失活时间、最大定位精度和覆盖范围，提出一种适于无线可定位传感网络的节点优化部署方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种适于无线可定位传感网络的节点优化部署方法。本专利技术首先构建分离状态下的基于偶极子天线的增益估计模型，进而获得联立状态下的双偶极子天线辐射增益模型和场强估计模型，然后以移动充电器、传感节点与普通节点之间的场强估计模型为基础，获得充电失活时间、定位精度和覆盖范围目标函数，最后提出基于信息正迁移机制的多任务优化算法，并将其用到本系统中，获得最优传感节点部署方式。其具体步骤如下：步骤1：构建无线可充电传感器网络系统，系统由移动充电器、传感节点、普通节点和服务站四部分组成，以提升系统的定位精度和充电效率、扩大覆盖范围为目标，并基于市场化的普及程度，选用偶极子天线作为移动充电器、传感节点和普通节点的天线，依据经典电磁场理论，获取分立状态下的偶极子天线增益估计模型。步骤2：以无线可充电传感器网络充电场景和定位需求为基础，将分立状态下的两个偶极子天线增益辐射模型纳入到同一笛卡尔坐标系，结合三维空间的坐标轴旋转公式，获取联立状态下的双偶极子天线位姿增益表达式和场强估计模型。步骤3：在步骤2中的充电场景中，部署一个移动充电器和若干个传感节点，传感节点的初始位置已知，根据传感节点初始位置确定移动充电器的行经路径，通过周期性的运行移动充电器为处于其充电半径内的所有传感节点进行充电，将充电器行经一圈所用的时间定义为T，表示为其中τpath是路径运行时间，τi是停留时间，S表示停留位置的数量。步骤4：以优化充电场景下传感节点的充电时间为目标，在充电周期T的每个时刻tin获取充电器与传感节点的传输能量值P_in，将低于充电阈值P_th的时刻点之和记为充电失活时间Tlost_time，充电失活时间越小，说明充电器对传感节点的充电效率越高，定义充电失活时间函数为tP_in＜P_th为充电器传输能量值小于充电阈值的时刻点，M为传感节点的个数。步骤5：以提高定位系统的定位精度和覆盖范围为目标，根据弗里斯经典理论，建立满足发射链路和接收链路条件的WRSNs系统通信链路模型，假设N为普通节点的个数，第n个普通节点收到第m个传感节点天线的辐射功率值为第m个传感节点接收到第n个普通节点的反向散射功率值为发送链路中的普通节点灵敏度阈值为PT，接收链路中的传感节点灵敏度阈值为PR，则普通节点成功被识别的两个条件为其中m∈[1，M]，n∈[1，N]。步骤6：结合步骤5所提通信链路模型，通过传感节点与普通节点之间的通信，定义第n个普通节点的几何精度因子为GDOPn，定义第n个普通节点的覆盖因子为Gn，仅当时，Gn＝1，否则Gn＝0，其中Dn，m是表示发送链路与接收链路能否正常通信的链路因子，根据几何精度因子与覆盖因子从而获得定位程度评价函数f2与覆盖程度评价函数f3，且有步骤7：设计基于信息正迁移机制的多任务进化算法(Mulitifactorialevolutionaryalgorithm，MFEA)优化步骤4和步骤6所提出的WRSNs目标函数，由于MFEA算法中两个随机选择的种群擅长的任务之间必须具有关联性才能进行交叉，为了提高多任务之间的关联性使其在最终优化过程中提供有效的遗传因子，引入信息正迁移机制，在多任务统一搜索空间内，当一个任务作为主任务时，为其他几个任务配置相应的权重使其与主任务目标函数的搜索空间一致，从而在优化过程中为主任务提供正向的遗传因子协助主任务进行优化，整个算法基于种群搜索的隐含并行性，通过挖掘多个任务之间的潜在遗传性互补以寻求最优解。在步骤2中，充电场景中联立两个偶极子天线增益模型在同一笛卡尔坐标系下，获得双偶极子天线辐射增益模型，定义充电器天线的坐标为(xR，yR，zR)，姿态为传感节点天线的坐标为(xT，yT，zT)，姿态为表示充电器天线的俯仰角，表示充电器天线的旋转角，同理，表示传感节点天线的俯仰角，表示传感节点天线的旋转角，其中增益角和旋转角能够保证传感节点的充电覆盖率和普通节点的识别率，通过推导获得充电器天线和传感节点天线增益分别为其中两天线的增益角分别为θR＝arccos(Y1/d)，d为传感节点天线到充电器天线的距离，xR，T＝xR-xT，yR，T＝yR-yT，zR，T＝zR-zT。附图说明：图1是本专利技术的流程框图；图2是偶极子标签天线增益模型示意图；图3是适于WRSNs系统的双偶极子天线辐射增益模型示意图；图4是无线可定位传感网络系统模型示意图；图5是充电器的充电路径与停留位置示意图；图6是N＝48时信息正迁移MFEA算法和单任务优化算法下的函数适应度值曲线示意图。具体实施方式：首先，以充电器、传感节点、普通节点和服务站为基础构建无线可定位传感网络系统，以降低系统的充电失活时间、提升系统定位精度和覆盖范围为目标，并基于市场化普及程度，选用偶极子天线作为充电器、传感节点和普通节点天线，依据经典电磁场理论获取分立状态下的偶极子天线增益估计模型。如图2所示为偶极子标签天线的坐标系示意图，假设天线尺寸满足“半波长”条件，则其增益本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于无线可定位传感器网络的节点优化部署方法，其具体步骤如下：/n步骤1：构建无线可充电传感器网络系统，系统由移动充电器、传感节点、普通节点和服务站四部分组成，以提升系统的定位精度和充电效率、扩大覆盖范围为目标，并基于市场化的普及程度，选用偶极子天线作为移动充电器、传感节点和普通节点的天线，依据经典电磁场理论，获取分立状态下的偶极子天线增益估计模型；/n步骤2：以无线可充电传感器网络充电场景和定位需求为基础，将分立状态下的两个偶极子天线增益辐射模型纳入到同一笛卡尔坐标系，结合三维空间的坐标轴旋转公式，获取联立状态下的双偶极子天线位姿增益表达式和场强估计模型；/n步骤3：在步骤2中的充电场景中，部署一个移动充电器和若干个传感节点，传感节点的初始位置已知，根据传感节点初始位置确定移动充电器的行经路径，通过周期性的运行移动充电器为处于其充电半径内的所有传感节点进行充电，将充电器行经一圈所用的时间定义为T，表示为

【技术特征摘要】
1.一种适于无线可定位传感器网络的节点优化部署方法，其具体步骤如下：
步骤1：构建无线可充电传感器网络系统，系统由移动充电器、传感节点、普通节点和服务站四部分组成，以提升系统的定位精度和充电效率、扩大覆盖范围为目标，并基于市场化的普及程度，选用偶极子天线作为移动充电器、传感节点和普通节点的天线，依据经典电磁场理论，获取分立状态下的偶极子天线增益估计模型；
步骤2：以无线可充电传感器网络充电场景和定位需求为基础，将分立状态下的两个偶极子天线增益辐射模型纳入到同一笛卡尔坐标系，结合三维空间的坐标轴旋转公式，获取联立状态下的双偶极子天线位姿增益表达式和场强估计模型；
步骤3：在步骤2中的充电场景中，部署一个移动充电器和若干个传感节点，传感节点的初始位置已知，根据传感节点初始位置确定移动充电器的行经路径，通过周期性的运行移动充电器为处于其充电半径内的所有传感节点进行充电，将充电器行经一圈所用的时间定义为T，表示为其中τpath是路径运行时间，τi是停留时间，S表示停留位置的数量；
步骤4：以优化充电场景下传感节点的充电时间为目标，在充电周期T的每个时刻tin获取充电器与传感节点的传输能量值P_in，将低于充电阈值P_th的时刻点之和记为充电失活时间Tlost_time，充电失活时间越小，说明充电器对传感节点的充电效率越高，定义充电失活时间函数为tP_in＜P_th为充电器传输能量值小于充电阈值的时刻点，M为传感节点的个数；
步骤5：以提高定位系统的定位精度和覆盖范围为目标，根据弗里斯经典理论，建立满足发射链路和接收链路条件的WRSNs系统通信链路模型，假设N为普通节点的个数，第n个普通节点收到第m个传感节点天线的辐射功率值为第m个传感节点接收到第n个普通节点的反向散射功率值为发送链路中的普通节点灵敏度阈值为PT，接收链路中的传感节点灵敏度阈值为PR，则普通节点成功被识别的两个条件为和其...

【专利技术属性】
技术研发人员：史伟光，王山川，王薇，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12