本发明专利技术公开了一种充电效益最大化的混合无线网络最短路径设计方法。本发明专利技术针对无线充电网络中多个传感器节点和多个能量补给站共同组成的新型混合充电网络，同时考虑能量站和传感器节点的随机部署，以注水算法、TSP算法为理论基础设计充电效益最大化模型，且考虑充电时间约束，基于传感器移除和传感器压缩两种策略设计了时间约束下的最大充电效益的闭环路径，实现可充电混合传感器网络的充电效益最大化。化。化。
【技术实现步骤摘要】
一种充电效益最大化的混合无线网络路径设计方法
[0001]本专利技术属于无线充电
，具体涉及一种充电效益最大化的混合无线网络路径设计方法。
技术介绍
[0002]随着通信技术和通信产业的不断发展，射频(Radio Frequency,简称RF)已经在环境中无处不在。射频的采集和调度为物联网系统提供高效的能源供应已经成为当前的研究热点。传统的物联网设备节点一般采用电池供电，但其储能有限，使用寿命短。因此，能源供应问题已成为物联网应用快速发展的关键瓶颈。如今无线充电技术已被广泛研究和应用，如可充电智能手机、可穿戴设备、访问认证和城市传感。无线充电
中解决能源供应问题的一个热门方向是无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Network，简称WRSN)中的路径调度。WRSN通过移动充电器缓解传统无线传感器网络的能量受限问题，通常实现是一个或多个移动充电器从能量补给站携带能量，在网络中找到遍历传感器节点并且对其充电的有效路径。
[0003]在现有的研究中，当移动充电器能量不足时，只有一个或几个能量补给站为移动充电器加油。即使有使用多个能量补给站的解决方案，也倾向于提前设定能量补给站的部署位置，而忽略了能量补给站可以像传感器节点一样随机部署的可能性。在这种可能性下，能量补给站能被视为一个特殊的传感器节点。
[0004]随着WiFi、5G基站等无线接入点(Wireless Access Point，简称WAP)的广泛部署，能量补给站的数量甚至可以像传感器一样多。大量的能量补给站和WRSN共同构成了另一种新型的可充电混合传感器网络(Hybrid Wireless Rechargeable Sensor Network，简称h
‑
WRSN)。该混合网络中的传感器节点可以通过移动充电器进行无线充电，移动充电器也可以通过h
‑
WRSN中的能量补给站进行无线充电。
[0005]此外，在传统的充电过程中，通常会忽略移动充电器与设备之间的距离；实际上，它对充电效率和路径设计有很大的影响；在h
‑
WRSN中，移动充电器可以在移动时通过能量补给站中的射频发射器进行充电，并收集可用能量以支持其持续运行，而无需返回基站或仓库充电。
[0006]移动充电器从仓库开始，收集所有传感器的数据并对其中的一些进行充电。在充电过程中，当移动充电器发现自己的能量不足时，移动充电器会从一个能量补给站获取能量。重复上述过程，直到所有传感器节点都被访问。移动充电器最终会回到仓库，这个过程类似于旅行商寻找路线的过程，因此可以将问题与配额旅行商问题进行比较。
[0007]注水算法是一种应用广泛的最优功率分配策略，在传感器的能量分配上使用注水算法会使得效益最大化。TSP算法最初是用来解决“给定一系列城市和每对城市之间的距离，求解旅行商访问每一座城市一次并回到起始城市的最短闭环路径”问题，本专利技术的充电过程类似于旅行商问题，因此可以用TSP算法求解最短闭环充电路径。由于现实问题中存在时间限制，因此基于传感器移除和传感器压缩两种策略解决时间约束问题，设计出充电效
益最大化的混合无线网络路径。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的在于提出一种充电效益最大化的混合无线网络路径设计方法，针对无线充电网络中多个传感器节点和多个能量补给站共同组成的新型混合充电网络，同时考虑能量站和传感器节点的随机部署，以注水算法、TSP算法为理论基础设计充电效益最大化模型，且考虑充电时间约束，基于传感器移除和传感器压缩两种策略设计了时间约束下的最大充电效益的闭环路径方法，实现可充电混合传感器网络的充电效益最大化。
[0009]本专利技术具体包括如下步骤：
[0010]步骤1、构造基于可充电传感器集合V和能量补给站集合U的图G，给定图G节点v0表示移动充电器的起点位置，移动充电器从v0出发，利用TSP算法找到一条遍历所有传感器节点并最终回到起点v0的最短闭环路径P，并在路径周围放置固定部署的能量补给站；
[0011]步骤2、以路径P的每个传感器节点为圆心，设给定半径r
i
内的任意能量补给站和传感器节点之间连接边的集合为E1,任意传感器节点之间连接边的集合为E2，得到图G(E1,E2,V,U)；
[0012]步骤3、设传感器v
i
半径r
i
范围内的能量补给站集合为N
i
，即为每一个传感器都建立一个其半径r
i
范围内的能量补给站节点集合；
[0013]步骤4、对于路径P中任意两个传感器v
i
和v
j
之间的连接边e
ij
(i<j)，找到离它最近的能量补给站u
j
，u
k
被称为最近能量补给站，
[0014]通过能量损耗公式计算移动充电器的实时能耗，当移动充电器需要在路径P的某条边上补充能量时，就将这条边的最近能量补给站插入路径P；
[0015]步骤5、当移动充电器在路径P上到达任意一个能量补给站时，能量补给站都将给它充满能量；
[0016]步骤6、当移动充电器给传感器节点充电时，两个距离最近能量补给站间的所有传感器节点按照注水算法来分配能量；首先将传感器序列按照剩余能量非递减排序，然后将能量分配给非递减序列中的第一个传感器，直到它的剩余能量等于非递减序列中的第二个传感器，最后将剩余能量相等的第一个和第二个传感器在接下来的能量分配中看做一个整体，重复上述步骤，直到所有节点都分配完成或可分配能量耗尽；最终输出一条包含所有传感器和部分能量补给站的闭环路径P
′
。
[0017]采用上述充电效益最大化的混合无线网络路径设计方法，有如下时间约束下的充电效益最大化混合无线网络路径设计方法，具体包括如下步骤：
[0018]步骤1、为图G(E1,E2,V,U)中的每一个传感器都建立一个给定半径范围内的能量补给站节点集合；
[0019]步骤2、将移动充电器从给定起点遍历图G(E1,E2,V,U)中的所有传感器，找出一条包含所有传感器和部分能量补给站的最优充电效益闭环路径P
′
；
[0020]步骤3、计算路径P
′
消耗的时间t(P
′
)；
[0021]步骤4、将路径P
′
上的传感器按照第一充电比率非递减排序生成序列S1，S1序列每个元素包含两个成员：传感器节点v
i
和其第一充电效益比率
[0022]步骤5、将路径P
′
上的传感器按照相同剩余能量分配到相同传感器组g
m
，然后将这些传感器组按照其第二充电效益比率非递减排序生成序列S2，S2每个元素包含两个成员：传感器组g
m
和
[0023]步骤6、如果t(P
′
)<本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种充电效益最大化的混合无线网络路径设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1、构造基于可充电传感器集合V和能量补给站集合U的图G，给定图G节点v0表示移动充电器的起点位置，移动充电器从v0出发，利用TSP算法找到一条遍历所有传感器节点并最终回到起点v0的最短闭环路径P，并在路径周围放置固定部署的能量补给站；步骤2、以路径P的每个传感器节点为圆心，设给定半径r
i
内的任意能量补给站和传感器节点之间连接边的集合为E1，任意传感器节点之间连接边的集合为E2，得到图G(E1，E2，V，U)；步骤3、设传感器v
i
半径r
i
范围内的能量补给站集合为N
i
，即为每一个传感器都建立一个其半径r
i
范围内的能量补给站节点集合；步骤4、对于路径P中任意两个传感器v
i
和v
j
之间的连接边e
ij
(i＜j)，找到离它最近的能量补给站u
k
，u
k
被称为最近能量补给站，通过能量损耗公式计算移动充电器的实时能耗，当移动充电器需要在路径P的某条边上补充能量时，就将这条边的最近能量补给站插入路径P；步骤5、当移动充电器在路径P上到达任意一个能量补给站时，能量补给站都将给它充满能量；步骤6、当移动充电器给传感器节点充电时，两个距离最近能量补给站间的所有传感器节点按照注水算法来分配能量；首先将传感器序列按照剩余能量非递减排序，然后将能量分配给非递减序列中的第一个传感器，直到它的剩余能量等于非递减序列中的第二个传感器，最后将剩余能量相等的第一个和第二个传感器在接下来的能量分配中看做一个整体，重复上述步骤，直到所有节点都分配完成或可分配能量耗尽；最终输出一条包含所有传感器和部分能量补给站的闭环路径P
′
。2.采用如权利要求1所述的充电效益最大化的混合无线网络路径设...
【专利技术属性】
技术研发人员：张建辉，李南洋，邓育健，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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