本發(fā)明涉及的是無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)中的一種充電次序調(diào)度方法，屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于磁耦合傳能的無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)中，攜帶能量的SenCar節(jié)點(diǎn)通過磁耦合技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性，以及擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的生命周期。通過磁耦合技術(shù)為節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量過程，受SenCar節(jié)點(diǎn)自身能量限制、充電時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模等因素限制，很難保證為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)及時(shí)地充滿電，這就帶來網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序問題。合理地安排網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序，對(duì)于保障節(jié)點(diǎn)的工作穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)一對(duì)一充電方式下的無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)，目前研究主要集中在對(duì)SenCar節(jié)點(diǎn)的調(diào)度，通過合理安排SenCar節(jié)點(diǎn)充電路徑，減少因路徑帶來的能量消耗。另外，對(duì)于大中型網(wǎng)絡(luò)，采用多個(gè)SenCar節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量，將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)充電簇，每個(gè)簇頭向相對(duì)合適度最大的SenCar節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量補(bǔ)充請(qǐng)求信息。當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電決策時(shí)，綜合考慮充電簇的剩余能量、簇頭與SenCar節(jié)點(diǎn)之間的距離以及SenCar節(jié)點(diǎn)的可用性，從而提高SenCar節(jié)點(diǎn)的充電效率。實(shí)際上，受充電時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素影響，僅僅規(guī)劃SenCar節(jié)點(diǎn)充電路徑以及保證簇頭節(jié)點(diǎn)的能量需求是不夠的，應(yīng)從網(wǎng)絡(luò)全局考慮，充分考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量、位置、狀態(tài)等信息，合理調(diào)度充電次序，能有效地提高節(jié)點(diǎn)的工作穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)健性，以及網(wǎng)絡(luò)生命周期。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于磁耦合的無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)中，采用一對(duì)一充電方式下，針對(duì)目前能量調(diào)度過程中，僅從規(guī)劃SenCar節(jié)點(diǎn)充電路徑以及保證簇頭節(jié)點(diǎn)的能量需求，沒有從網(wǎng)絡(luò)全局考慮等缺點(diǎn)，本發(fā)明充分考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量、位置、狀態(tài)等信息，合理調(diào)度充電次序，發(fā)明一種無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序調(diào)度方法(G-SCC)。

無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域是一個(gè)N*N的正方形區(qū)域，如圖1所示，包括一個(gè)基站、一個(gè)SenCar節(jié)點(diǎn)、以及若干節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可擔(dān)任簇頭功能(又稱簇頭節(jié)點(diǎn))節(jié)點(diǎn)或中繼功能(又稱中繼簇頭節(jié)點(diǎn))，基站負(fù)責(zé)收集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，位于區(qū)域的中心位置，即其坐標(biāo)值為(N/2，N/2)，且不可移動(dòng)。在網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)部署了n個(gè)節(jié)點(diǎn)。初始時(shí)刻，SenCar節(jié)點(diǎn)位置與基站相同，也位于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的中心位置，即坐標(biāo)值為(N/2，N/2)，負(fù)責(zé)對(duì)需充電的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充。

假設(shè)無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)SenCar節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中低于閾值節(jié)點(diǎn)進(jìn)行充電，采用一對(duì)一充電，不參與節(jié)點(diǎn)能量和數(shù)據(jù)信息的收集工作。SenCar節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電效率為η，即SenCar節(jié)點(diǎn)傳輸一焦耳的能量時(shí)，節(jié)點(diǎn)只能接收到η焦耳的能量。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)和SenCar節(jié)點(diǎn)位置已知，當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充時(shí)，會(huì)及時(shí)地將自身的位置信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)。與充電時(shí)間相比，SenCar節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)時(shí)間較小，忽略不計(jì)。

假設(shè)當(dāng)節(jié)點(diǎn)低于閾值時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就進(jìn)入睡眠狀態(tài)，其中，睡眠狀態(tài)指的是低于閾值的節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)將自身信息發(fā)送給簇頭節(jié)點(diǎn)，不會(huì)在此狀態(tài)下?lián)未仡^節(jié)點(diǎn)或中繼簇頭節(jié)點(diǎn)。

在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，發(fā)明一種無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序調(diào)度方法，具體思想是：節(jié)點(diǎn)充電次序調(diào)度由數(shù)據(jù)傳輸過程和充電調(diào)度過程構(gòu)成；數(shù)據(jù)傳輸過程，為均衡能量消耗，采用不均勻分簇的路由傳輸協(xié)議，以“輪”循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；因簇的形狀在每輪中是不規(guī)則的，即每輪中簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)日是不確定的，并且網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)在生命周期內(nèi)都可能當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)或者是中繼簇頭節(jié)點(diǎn)，甚至是多次當(dāng)選。因此，在充電調(diào)度過程中，無法以簇為單位規(guī)劃充電次序，因而引入“格”的概念，將無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為不同“格”，當(dāng)格中節(jié)點(diǎn)剩余能量低于設(shè)定閾值時(shí)，將其狀態(tài)信息(包括節(jié)點(diǎn)位置信息和節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)時(shí)擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)的總輪數(shù))發(fā)送給所在簇內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，如圖2所示，簇頭節(jié)點(diǎn)將此消息發(fā)送給基站，基站將該信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的SenCar節(jié)點(diǎn)，SenCar節(jié)點(diǎn)接收到節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息和能量補(bǔ)充請(qǐng)求消息，判斷節(jié)點(diǎn)所在的“格”，進(jìn)而依據(jù)“格”內(nèi)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)、位置及其剩余能量，確定“格”和該節(jié)點(diǎn)的充電優(yōu)先級(jí)別，最終確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電調(diào)度次序。

進(jìn)一步地，無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為不同“格”，其步驟包括：

步驟一、以基站為中心，節(jié)點(diǎn)通信半徑一半為半徑畫圓；

步驟二、以圓和直角坐標(biāo)軸將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分八個(gè)部分，分別為區(qū)域1～區(qū)域8，如圖3所示；

步驟三、將區(qū)域1～區(qū)域8以基站為中心，分別等分為二等分，即網(wǎng)絡(luò)被劃分為十六個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域稱為“格”，形成16個(gè)“格”，如圖4所示；

步驟四、依據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量及分布，可對(duì)區(qū)域進(jìn)一步劃分，形成區(qū)域更小的“格”。

進(jìn)一步地，判定無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序調(diào)度方法中的“格”充電優(yōu)先級(jí)別，其計(jì)算公式為

其中，N_btv(j)為網(wǎng)絡(luò)中第j個(gè)“格”內(nèi)低于閾值的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，N_total(j)為網(wǎng)絡(luò)中第j個(gè)“格”內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)，r為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的輪數(shù)，n_j為第j個(gè)“格”內(nèi)所有擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)在r輪時(shí)的平均輪數(shù)，D(g_j，m)為第j個(gè)“格”的中心位置與SenCar節(jié)點(diǎn)的距離，x和y分別為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度。

進(jìn)一步地，判定無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序調(diào)度方法中的節(jié)點(diǎn)充電優(yōu)先級(jí)別，其計(jì)算公式為

其中，n_i為節(jié)點(diǎn)i在第r輪時(shí)已擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)的總輪數(shù)，E_i(r)為節(jié)點(diǎn)i在第r輪時(shí)的剩余能量，E₀為節(jié)點(diǎn)的初始能量，即最大容量，D(s_i，m)為節(jié)點(diǎn)i與SenCar節(jié)點(diǎn)之間的距離，x和y分別為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度。

進(jìn)一步地，調(diào)度無線可充電傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)充電次序，流程圖如圖5所示，具體步驟如下：

第一步、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的初始能量以及睡眠閾值；

第二步、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；

第三步、基站監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中是否有節(jié)點(diǎn)剩余能量低于睡眠閾值，若有，則進(jìn)入第四步，若無，返回第二步；

第四步、通過公式(1)計(jì)算低于閾值的節(jié)點(diǎn)所在“格”的充電優(yōu)先級(jí)，選中充電優(yōu)先級(jí)最高的“格”；

第五步、通過公式(2)計(jì)算充電優(yōu)先級(jí)最高的“格”內(nèi)低于閾值節(jié)點(diǎn)的充電優(yōu)先級(jí)；

第六步、依據(jù)節(jié)點(diǎn)充電優(yōu)先級(jí)，依次對(duì)“格”內(nèi)低于閾值的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充；

第七步、完成“格”內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)能量補(bǔ)充后，返回第二步。

下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署圖

圖2 節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量流程圖

圖3 以基站為圓心劃分的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域

圖4 區(qū)域“格”的劃分

圖5 節(jié)點(diǎn)完電調(diào)度流程圖

圖6 簇頭節(jié)點(diǎn)的分布圖

圖7 網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)與輪數(shù)之間關(guān)系圖

圖8 平均存活的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)與輪數(shù)之間關(guān)系圖

具體實(shí)施方式

采用Matlab平臺(tái)，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行實(shí)施，具體流程如下：

1、參數(shù)設(shè)置：網(wǎng)絡(luò)區(qū)域大小為100m×100m。在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)部署了100個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站。基站負(fù)責(zé)收集網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，位于區(qū)域的中心位置，即坐標(biāo)值為(50，50)。仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 參數(shù)配置表

2、網(wǎng)絡(luò)劃分為不同“格”：以基站為中心點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通信半徑一半為半徑畫圓將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分八個(gè)區(qū)域，如圖3所示。為了減少SenCar節(jié)點(diǎn)對(duì)圓內(nèi)每個(gè)區(qū)域中節(jié)點(diǎn)的總充電時(shí)間，區(qū)域1～區(qū)域8以基站為中心，分別等分為二等分，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域被劃分為十六個(gè)區(qū)域，如圖4所示，每個(gè)區(qū)域稱為“格”，形成16個(gè)“格”。通過仿真，如圖6所示，說明簇頭節(jié)點(diǎn)大部分集中在節(jié)點(diǎn)通信距離的二分之一范圍內(nèi)。

3、“格”充電優(yōu)先級(jí)別確定，根據(jù)“格”內(nèi)低于閾值的節(jié)點(diǎn)數(shù)目和“格”內(nèi)節(jié)點(diǎn)總數(shù)、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的輪數(shù)、“格”內(nèi)所有擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)的平均輪數(shù)、“格”的中心位置與SenCar節(jié)點(diǎn)的距離，以及網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度，根據(jù)公式(1)計(jì)算出“格”的優(yōu)先級(jí)。

4、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)別確定，根據(jù)節(jié)點(diǎn)已擔(dān)任簇頭節(jié)點(diǎn)的總輪數(shù)、節(jié)點(diǎn)的剩余能量及初始能量、節(jié)點(diǎn)與SenCar節(jié)點(diǎn)之間距離，以及網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的長(zhǎng)度和寬度，根據(jù)公式(2)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)。

5、網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)的比較：網(wǎng)絡(luò)中存活的節(jié)點(diǎn)數(shù)與輪數(shù)之間的關(guān)系如圖7所示。當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)沒有對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充時(shí)(無充電調(diào)度)，節(jié)點(diǎn)將在2200輪左右全部死亡。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)低于設(shè)定閾值時(shí)，SenCar節(jié)點(diǎn)依據(jù)節(jié)點(diǎn)充電次序，對(duì)其進(jìn)行能量補(bǔ)充，且在3000輪時(shí)仍有36個(gè)存活節(jié)點(diǎn)，在很大程度上延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)整體的運(yùn)行時(shí)間。與基于分簇的多移動(dòng)充電器協(xié)同充電方法(C_MCC)相比較，G_SCC方法比C_MCC方法中更有優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)镚_SCC方法在判斷節(jié)點(diǎn)和充電“格”的優(yōu)先級(jí)時(shí)，不僅考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量、與Sink節(jié)點(diǎn)之間的距離，同時(shí)還考慮了節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭的輪數(shù)，從而使低能量的節(jié)點(diǎn)能及時(shí)地得到能量補(bǔ)充。

6、路由魯棒性的比較：路由魯棒性與輪數(shù)之間的關(guān)系如圖8所示。當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)未對(duì)網(wǎng)絡(luò)中需充電的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充(即無充電調(diào)度)時(shí)，存活的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)在2000輪時(shí)為零。當(dāng)SenCar節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行能量補(bǔ)充，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行到3000輪時(shí)，仍有4個(gè)平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。同時(shí)，與C_MCC方法相比較，G_SCC方法中的平均鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)較多一些，網(wǎng)絡(luò)更穩(wěn)健些。