CN113179457A - 无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法。现有的方法必须先将传感器充满电,才能为下一个节点充电。本发明方法首先构造无线可充电传感网络充电模型,删除充电路径中的无效节点,保证充电队列中能够顺利执行部分充电策略。当删除部分节点导致充电队列长度不足指定长度时,需要补齐队列长度,以保证整体充电效率不会下降。最后执行部分充电策略为移动充电车规划到达时间、停留时间、充电顺序。本发明提出的考虑时间空间因素的补齐队列策略可以保证本充电周期的充电效率不下降。本发明方法使用部分充电的方式来保证***都较高的吞吐量和较小的死亡率。
Description
技术领域
本发明属于无线传感器网络技术领域,具体涉及一种无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法。
背景技术
由于无线电力传输技术的突破,无线可充电传感器网络(Rechargeable WirelessSensor Networks,WRSN)在延长网络寿命方面具有很大的应用前景。WRSN可以在很长一段时间内运行而不会出现中断或故障,使其能够在不同的民用和军用应用中得到广泛的部署。在WRSN中,移动充电器(Mobile Charger,MC)负责为所有可充电传感器补充能量,传感器需要在电量耗尽之前被及时充电,否则无法继续运行。因此,MC的充电调度成为WRSN中一个突出问题。目前文献中的调度方法有两种:确定性方法和非确定性方法。在确定性方法中,MC对单个或多个节点是以周期性和确定性的方式进行充电。这类方法通常需要明确的***信息,如确切的节点位置、能量消耗率等,然而这些信息在WRSN中通常波动很大。因此,确定性方法是不可行的,特别是对于大规模的WRSN。
而非确定性方法为按需充电,传感器在能量低于阈值时会向MC发送充电请求。在接收到请求后,MC会将其***到充电请求列表中,并选择最佳的候选请求进行充电。如Liang He在论文《Evaluating the on-demand mobile charging in wireless sensornetworks》中提出了一种基于距离的调度算法,该算法优先对距离MC最近的传感器进行充电。该算法会导致远离主基地的传感器无法及时充电。Chi Lin在论文《P2S:A Primary andPasser-By Scheduling Algorithm for On-Demand Charging Architecture inWireless Rechargeable Sensor Networks》中提出一种局部搜索算法,将主节点附近的节点加入充电队列来利用剩余可用时间。非确定性方案虽然具有较强的可行性,但仍存在一些不容忽视的突出缺陷。1)许多方案只根据空间优先级对充电请求进行排序,而没有考虑时间的影响,从而导致一些剩余寿命短的节点因无法及时被充电而死亡。2)大多数的不确定性充电方案对当前周期无法及时充电的节点从充电队列中丢弃之后并未很好的对队列进行补充,导致当前周期的充电效率较低。针对这些问题,我们提出了一种路过时空部分充电方法(Passer-by Temporal-Spatial Partial Charging,PTSPC)。
发明内容
本发明的目的就是提供一种无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法。
本发明方法首先构造无线可充电传感网络充电模型,删除充电路径中的无效节点,保证充电队列中能够顺利执行部分充电策略。当删除部分节点导致充电队列长度不足指定长度时,需要补齐队列长度,以保证整体充电效率不会下降。最后执行部分充电策略为移动充电车规划到达时间、停留时间、充电顺序。
本发明方法具体步骤如下:
步骤(1)构造无线可充电传感网络WRSN充电模型;
步骤(3)当删除无效节点导致充电队列长度不足指定长度时,补齐队列长度,以保证整体充电效率不会下降;
步骤(4)执行部分充电策略,并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序。
步骤(1)包括:
(1-1)传感网络中存在一组传感器集合S={s1,s2...sN},N个完全相同的传感器随机部署在二维平面区域中,一个能量有限的移动充电车MC,一个能够为MC更换电池的仓库s0,一个用于收集传感器信息的基站;传感网络中具有一个路由协议用于传感数据收集,该路由协议通过中继节点将传感数据从传感器传输到基站;传感器在执行传感数据、传输数据和接收数据时都会消耗能量;由于每个传感器的监测任务不同,能量消耗率也不同。
(1-2)为了维持WRSN的长期运行,MC根据调度策略对发出充电请求的传感器进行充电:当传感器si的剩余电量小于报警阈值θ时,即si向基站发送一个充电请求 表示si在第k个充电周期的剩余能量;t表示发出请求的时间,si表示发出请求的传感器标识,eci表示si的能量消耗率,si在第k个充电周期的剩余寿命Bs表示传感器电池容量,表示当前周期剩余电量;REQi加入到全局等待队列Q中,Q中的请求按照剩余寿命从小到大排序;
整个充电任务会被划分为Ntask个充电周期完成,对于第k个充电周期,取Q中前ξ=min{ξ,|Q|}个请求加入到任务队列基站根据中的顺序以每个传感器所在位置为停靠点,为MC构建一个充电路径;MC从仓库离开,沿着充电路径移动,同时为每个停靠点的传感器充满预分配的电量后离开;MC一次只能对一个传感器充电,并且完成一个充电周期之前不会响应其他充电请求;MC在耗尽能量之前返回仓库,然后更换电池并为下一个充电周期充电。
(1-3)在一个充电周期中,MC的总能量消耗包括机械运动消耗的能量、传感器获得的能量、充电过程中的能量损失;
第k个充电周期的充电计划表示成一个三元组集合Ck:
τi k表示在第k个充电周期中MC到达si的时间和为si充电的时间,i=1,2,…,ξ;Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID,MC到达该传感器的时间,MC为该传感器充电的时间)。Ck的排列顺序与传感器的充电顺序一致,并且起始于仓库s0和终止于仓库s0;其中,
MC每次对传感器至少要充电量Δ的最佳取值Ntask表示完成的充电任务数,Dk表示第k个充电周期中死亡的节点个数;定义Δ为基本充电单元,MC传递给传感器的能量范围是Δ到的连续空间,将MC每次传递的能量值离散化为 是一个整数,p和q为正整数;最大能量需求Δmax取值为第1个充电周期中待充电传感器的最大能量需求,即Q为全局等待队列。
步骤(2)中所述的无效节点INs(Invalid Nodes)通过以下方式确定:假设MC对充电队列中所有节点均以最低充电边界进行充电,即MC至少需要为充电队列中每个节点充Δ电量;队列中存在传感器sj按照目前的充电顺序无法及时被充电,即 表示在第k个充电周期MC到达sj的时间,表示sj在第k个充电周期的剩余寿命;如果将sj***到该节点之前的序列{s1,s2...sj-1}中,仍然无法及时被充,则节点sj被认定为无效节点。
首先反向遍历Πk,对于边Ei,i+1计算其对应的Ωi,i+1中每个节点的***优先级Pi,选取Ωi,i+1中优先级最高的节点,并尝试***到中si、si+1的中间;Πk={E1,2,E2,3,...En,0}表示MC在第k个充电周期的移动路径,Ei,i+1表示中si与si+1的连线,Ωi,i+1表示Ci,i+1能够覆盖的节点集合,Ci,i+1表示以Ei,i+1为直径的圆;
然后判断中的所有节点是否能够以最低充电边界充电,并且判断MC的电量是否能够回到基站,若不满足则说明该点不适合***,继续尝试Ωi,i+1中的次优节点,直到找到有效的节点或者Ωi,i+1遍历完毕;继续为Ei-1,i选取合适的节点***;当***的节点个数多于或者Πk遍历完毕则停止。
步骤(4)执行部分充电策略,并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序。
中的所有节点都以最低充电边界充电时,如果仍无法满足则放弃削减并以最低充电边界的充电量去给所有的传感器充电,最后为MC生成充电计划Ck。Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID,MC到达该传感器的时间,MC为该传感器充电的时间)。
本发明具有以下有益效果:
现有的大多数的不确定性充电方案对当前周期无法及时充电的节点丢弃之后并未很好的对充电队列进行补充,导致当前周期的充电效率较低。本发明提出的考虑时间空间因素的补齐队列策略可以保证本充电周期的充电效率不下降。
大多数充电方案都是考虑每次将传感器充满电,这种方式会导致传感器的死亡率较高。本发明方法使用部分充电的方式来保证***都较高的吞吐量和较小的死亡率。
附图说明
图1为本发明的具体流程图;
图2为本发明采用的无线传感器网络示意图;
图3为本发明步骤2中的判断无效节点的示意图;
图4为本发明步骤3中***EIN的示意图;
图5为本发明步骤4中执行部分充电策略的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法,流程如图1所示:
步骤(1)构造无线可充电传感网络WRSN充电模型;包括:
(1-1)如图2,传感网络中存在一组传感器集合S={s1,s2...sN},N个完全相同的传感器随机部署在二维平面区域中,一个能量有限的移动充电车MC,一个能够为MC更换电池的仓库s0,一个用于收集传感器信息的基站;传感网络中具有一个路由协议用于传感数据收集,该路由协议通过中继节点将传感数据从传感器传输到基站;传感器在执行传感数据、传输数据和接收数据时都会消耗能量;由于每个传感器的监测任务不同,能量消耗率也不同。
(1-2)假设MC、传感器电池容量为BM、Bs,eci和分别表示si的能量消耗率和第k轮的剩余能量,si的剩余寿命可表示为当传感器si的剩余电量小于报警阈值θ时,即它会向基站发送一个充电请求其中t表示发出请求的时间,si表示发出请求的传感器标识,表示当前周期剩余电量。REQi会被加入到全局等待队列Q中,Q中的请求会按照剩余寿命从小到大排序。假设在一段时间内,整个充电任务会被划分为Ntask个充电周期来完成。对于第k个充电周期,取Q中前ξ=min{ξ,|Q|}个请求加入到任务队列然后根据调度策略重新调整接下来基站会根据中的顺序以每个传感器所在位置为停靠点,为MC构建一个充电路径。随后MC从仓库离开,沿着充电路径移动,同时为每个停靠点的传感器充满预分配的电量再离开。注意MC一次只能对一个传感器充电,并且完成一个充电周期之前不会响应其他充电请求。MC会在耗尽能量之前返回仓库,然后更换电池并为下一个充电周期充电。
(1-3)在一个充电周期中,MC的总能量消耗包括机械运动消耗的能量、传感器获得的能量、充电过程中的能量损失;
第k个充电周期的充电计划表示成一个三元组集合Ck:
τi k表示在第k个充电周期中MC到达si的时间和为si充电的时间,i=1,2,…,ξ;Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID,MC到达该传感器的时间,MC为该传感器充电的时间)。Ck的排列顺序与传感器的充电顺序一致,并且起始于仓库s0和终止于仓库s0;其中,
MC每次对传感器至少要充电量Δ的最佳取值Ntask表示完成的充电任务数,Dk表示第k个充电周期中死亡的节点个数;定义Δ为基本充电单元,MC传递给传感器的能量范围是Δ到的连续空间,将MC每次传递的能量值离散化为 是一个整数,p和q为正整数,如p=10;最大能量需求Δmax取值为第1个充电周期中待充电传感器的最大能量需求,即Q为全局等待队列。
为了保证能够顺利执行部分充电策略,需要将那些无效节点INs从中移除。删除无效节点的具体策略是尝试为每个传感器充Δ的能量。如果传感器sj在MC未到达时死亡则尝试将其逆序***到序列{s1,s2...sj-1}中。如果序列{s1,s2...sj,sj-1}中的所有节点都能及时被充电则将si***对应的位置以拯救该节点,否则将sj从移除并***到Q的末尾等待将来被调度。如图3所示,{s1,s2,s3}的预计充电量均为Δ,判断到s4无法及时充电。则尝试将s4***到s2、s3中间位置,若失败则继续尝试***s1、s2中间位置,若成功则停止向前遍历。为方便描述后续步骤,假设在该步骤中删除了无效节点s4。
步骤(3)删除无效节点会导致充电队列长度不足指定长度时,需要使用考虑时空因素的补齐队列策略以保证整体充电效率不会下降。
如果中删除了部分无效节点INs,那么本周期的MC的充电任务数就会变少。如果充电任务数减少,那么网络整体充电性能就会下降。所以需要将充电队列长度补充至最佳队列长度ξ(根据实验来确定)来避免性能下降。这里考虑向中***有效***节点EIN以增加服务节点个数,从而提升充电效率。
EIN***优先级:在选取EIN过程中会优先考虑将高优先级的节点***到充电路径中。影响节点优先级的三个因素:a)剩余寿命,寿命越小紧急程度越高应当优先考虑。b)与其对应边的垂直距离,距离越近移动能耗越少应当优先考虑。c)考虑到***的稳定性,时间优先级所占权重比空间优先级更高。
有效***节点EIN(Effective Insertable Node)为满足以下两个条件的节点:条件①,以MC行走路径中的每条边为直径画圆,该节点的位置位于圆周内;条件②,如将该节点***到充电队列中,***位置之后的所有节点能够被及时充电,同时保证MC的电量能够回到基站。
MC的移动路径表示为Πk={E1,2,E2,3,...En,0},Ei,i+1表示中si与si+1的连线;Ci,i+1能够覆盖的节点集合Ωi,i+1中的所有节点都存在一个***优先级,Ci,i+1表示以Ei,i+1为直径的圆。
如图4中,E6,7表示s6、s7的连线,MC的移动路径Πk={E1,2,E2,3,E3,5,E5,6,E6,7,E7,0},注:这里假设在步骤2中删除了无效节点s4。以Ei,i+1为直径的圆用Ci,i+1表示,Ci,i+1能够覆盖的节点集合为Ωi,i+1,Ωi,i+1中的所有节点都存在一个***优先级。
如图4所示,以s6、s7为直径画圆,该圆能够覆盖s11、s12,即Ω6,7={s11、s12},则s11、s12是潜在的EIN。
***EIN的流程如下:反向遍历Πk,对于边Ei,i+1计算其对应的Ωi,i+1中每个节点的***优先级,选取Ωi,i+1中优先级最高的节点,并尝试***到中si、si+1的中间。如图4,反向遍历Πk={E1,2,E2,3,E3,5,E5,6,E6,7,E7,0},E7,0对应的Ω7,0为空,然后继续判断E6,7对应的Ω6,7计算Ω6,7={s11、s12}中s6、s7的***优先级。假设s11的优先级更高,那么就先尝试将s11***任务序列中,则
接下来判断中的所有节点是否能够以最低充电边界充电并且判断MC的电量是否能够回到基站,若不满足则说明该点不适合***,继续尝试Ωi,i+1中的次优节点,如图4中的s12,直到找到有效的节点或者Ωi,i+1遍历完毕。然后继续为Ei-1,i选取合适的节点***。当***的节点个数多于或者Πk遍历完毕时算法停止。
步骤(4)执行部分充电策略,并为移动充电器规划到达时间、停留时间、充电顺序。
为方便描述,先给出一些关键词的定义。
最佳削减节点:如果任务队列中存在传感器si无法及时被充电,则需要从si之前的序列中找到一个节点削减△充电量。为了综合考虑当前节点的剩余电量和能量消耗率。将选取中削减△充电量之后剩余寿命最长的那个节点定义为最佳削减节点sopt。这样对整体网络而言影响相对更小。最佳削减节点表达式如下:
最晚结束时间(Latest Finishing Time,LFT):是指MC回到仓库时不能超过的时间点。在对当前充电队列中节点规划充电任务时,除了要考虑中所有节点能够存活和MC有剩余能量返回仓库两个条件,还需要保证MC能够及时到达下一个充电周期(k+1)的第一个节点。这里假设第(k+1)周期中调度的第一个节点为该周期中寿命最小的节点(虽然它不一定是第(k+1)周期调度过程中第一个),用sξ+1表示。
执行部分充电策略的具体流程如下:遍历充电队列如果中存在传感器si无法及时被充电,则需要找到si之前最佳削减节点sopt。然后将MC对sopt的充电量削减△,即然后将MC对sopt的充电量削减△,即判断si是否能及时充电:如果可以,则停止削减中节点的充电时间,否则继续寻找最佳削减节点直到si能够及时被充电。因为步骤2已经删除了无效节点,所以通过不断削减中节点的电量一定能够让si及时被充电。重复上述步骤直至中的所有节点能够及时充电。图5展示了中s5无法及时充电时的一个处理过程。当s5无法及时充电时则找到最佳削减节点s2,将s2的充电量减去一个Δ=Bs/5(削减的电量用虚线方框表示),如果s5仍然无法及时充电,则继续寻找到最佳削减节点s3将其充电量减去Δ,随后s5能够及时充电,此时停止削减电量。
当确定中的节点都能及时充电之后还需要确保MC回到仓库的时间小于最晚结束时间,即具体的做法和上述过程类似,仍然是通过不断削减中节点的电量来达到当中的所有节点都以最低充电边界充电时,如果仍无法满足则放弃削减并以最低充电边界的充电量去给所有的传感器充电。最后为MC生成充电计划Ck。Ck中每个的元组的含义等价于(传感器的标识ID,MC到达该传感器的时间,MC为该传感器充电的时间)。Ck的示例如下:
Claims (5)
2.如权利要求1所述的无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法,其特征在于,步骤(1)包括:
(1-1)传感网络中存在一组传感器集合S={s1,s2...sN},N个完全相同的传感器随机部署在二维平面区域中,一个能量有限的移动充电车MC,一个能够为MC更换电池的仓库s0,一个用于收集传感器信息的基站;传感网络中具有一个路由协议用于传感数据收集,该路由协议通过中继节点将传感数据从传感器传输到基站;传感器在执行传感数据、传输数据和接收数据时都会消耗能量;
(1-2)MC根据调度策略对发出充电请求的传感器进行充电:当传感器si的剩余电量小于报警阈值θ时,即si向基站发送一个充电请求 表示si在第k个充电周期的剩余能量;t表示发出请求的时间,si表示发出请求的传感器标识,eci表示si的能量消耗率,si在第k个充电周期的剩余寿命Bs表示传感器电池容量,表示当前周期剩余电量;REQi加入到全局等待队列Q中,Q中的请求按照剩余寿命从小到大排序;
整个充电任务会被划分为Ntask个充电周期完成,对于第k个充电周期,取Q中前ξ=min{ξ,|Q|}个请求加入到任务队列基站根据中的顺序以每个传感器所在位置为停靠点,为MC构建一个充电路径;MC从仓库离开,沿着充电路径移动,同时为每个停靠点的传感器充满预分配的电量后离开;MC一次只能对一个传感器充电,并且完成一个充电周期之前不会响应其他充电请求;MC在耗尽能量之前返回仓库,然后更换电池并为下一个充电周期充电;
(1-3)在一个充电周期中,MC的总能量消耗包括机械运动消耗的能量、传感器获得的能量、充电过程中的能量损失;第k个充电周期的充电计划表示成一个三元组集合Ck: τi k表示在第k个充电周期中MC到达si的时间和为si充电的时间,i=1,2,…,ξ;Ck的排列顺序与传感器的充电顺序一致,并且起始于仓库s0和终止于仓库s0;其中,
首先反向遍历Πk,对于边Ei,i+1计算其对应的Ωi,i+1中每个节点的***优先级Pi,选取Ωi,i+1中优先级最高的节点,并尝试***到中si、si+1的中间;Πk={E1,2,E2,3,...En,0}表示MC在第k个充电周期的移动路径,Ei,i+1表示中si与si+1的连线,Ωi,i+1表示Ci,i+1能够覆盖的节点集合,Ci,i+1表示以Ei,i+1为直径的圆;
5.如权利要求1所述的无线可充电传感网络中的路过时空部分充电方法,其特征在于,步骤(4)执行部分充电策略具体是:
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