无线传感器网络中分层数据回传链路能量收集存储方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络中分层数据回传链路能量收集存储方法，属无线通信技术领域。

背景技术

无线传感器网络由于其分散特性，其能耗问题一直是业界关注的重点问题。近些年来随着能量收集技术的进步，如何利用能量收集技术，优化无线传感器网络中数据传输得到了广泛的关注。现有文献大多假设传感器节点装备有能量收集设备，进而设计数据传输和能耗的优化问题呢。但是所有的网络节点均配备能量收集装置的场景具有一定的应用限制；并且现有的文献没有考虑使用特定的无线充电设备给数据收集的簇头充电。针对簇头的能量收集及数据回传研究更贴近实际场景，因为部署个别装备有能量收集装备的数据簇头在实际网络中更容易实现。

经对现有技术文献的检索发现，Iannello等人在2012年5月第60卷第6期《IEEE通信期刊》上发表的名为Medium Access Control Protocols for Wireless SensorNetworks With Energy Harvesting的论文中提出了使用能量收集技术的无线传感器网络MAC层接入技术。Tutuncuoglu等人在2015年3月第33卷33期《IEEE选择性通信期刊》上发表的名为Optimum Policies for an Energy Harvesting Transmitter Under EnergyStorage Losses的论文提出了考虑到能量损失的情况下的，基于能量收集的数据传输方案。

Luo在2014年12月第25卷12期《IEEE并行与分布式系统》期刊上发表的名为GreenCommunication in Energy Renewable Wireless Mesh Networks:Routing,RateControl,and Power Allocation的论文，以及Li在2014年加拿大多伦多举办的IEEE INFOCOM会议上发表的名为Distributed Opportunistic Scheduling for Wireless Networks Poweredby Renewable Energy Sources 的论文，提出了无线多跳网络中，基于能量收集的路由和速率控制技术。

但是上述文献均没有考虑基于簇头的数据回传链路的能量收集存储方案。

发明内容

本发明的目的是，根据现有无线传感器网络没有考虑使用特定的无线充电设备给数据收集的簇头充电的状况，本发明提出一种无线传感器网络中分层数据回传链路能量收集存储方法，即针对基于簇头的分层无线传感器网络中，簇头能量收集存储的优化方法。

实现本发明的技术方案为，一种无线传感器网络中分层数据回传链路能量收集存储方法，所述方法建立无线传感器网络，按一定的区域划分成簇；每个区域中的节点把数据传递给簇头后，簇头组成数据回传链路，把数据传递到数据收集器；网络中设置一个或若干个无线能量传输装置，把太阳能或风能转化为电磁能使用定向天线传输出去；簇头装备能量收集装置，能够收集存储能量。

所述数据收集器是无线传感网络所感知到的数据最终上报的中心，所有的智能电表的读数都要上报信息中心；能量收集装置是每个簇头节点所配备的装置，可以无线充电的手机装备有电磁耦合感应装置。

本发明方法考虑一条N个簇头节点组成的数据回传链路，无线充电站发电量为μ₀kwh；簇头i存储S_i的能量，将会耗费充电站ε_iS_i电量，其中ε_i是充电的效率常数，由充电站的距离所决定，耗费ε_iS_i电量将引入v_iS_i代价；则v_k表示回传链路中第k个节点通过无线传输存储单位能量所造成的代价；实际状况中，v_k和μ₀成正比关系，μ₀越大则v_k会越小。

由于每个簇头设备能量收集效率不一样，因此最初的能量存储水平也应该不一样。每个簇头节点，为了将来某段时间内为回传数据服务，因此必须事先存储收集能量，但是存储能量会产生漏电，因此存储太多会浪费能源。存储少了，会造成数据传输延迟。因此，需要设计一种算法，能够求出最优的存储策略。设簇头节点的存储策略为S＝{S₁,...，S_n}。

所述方法对网络中参数设置如下：第i个簇头到充电站的距离是h_i；该条数据回传链路上数据传输速率记为α为整条回传链路的速率减少的效用常数，速率降低个I单位，导致网络整体效用减小为α×I；第i个簇头到第i+1个簇头节点之间的距离为d_i，无线信道衰落系数为f_i；回传链路使用的带宽记为w。

一种应用于分层无线传感器网络数据回传链路簇头能量收集存储方法，包括如下步骤：

(1)无线传感器网络中，传感器数据需要回传到数据收集节点；设置数据回传速率要求为根据信息理论香农公式可以计算出到每个簇头所需要的发送功率为了简便叙述，引入一替代函数记为式中，n₀表示当前通信环境的白噪声功率。

(2)由于网络中使用了无线充电装置对数据簇头充电；则簇头i存储S_i的能量，将会耗费充电站ε_iS_i电量，其中ε_i是充电的效率常数，由充电站的距离所决定，耗费ε_iS_i电量将引入v_iS_i代价。

(3)假设数据回传链路第一个簇头簇头在一段时间内，需要回传的数据量为D(bits)；D为一个随机变量，分布函数为累积分布函数F(x)，记由于簇头之间的传输距离不同，在一定的速率传输要求下，簇头i的所需要耗费的能量为焦耳。

(4)簇头i以速率传输一单位数据，所耗费的能量可以表达为φ(w)/f_i；簇头i收集能量的效率表示为μ_i单位能量/单位时间；因此，使用表达传输一单位数据耗费的能量收集时间；另外，定义为簇头节点i的传输效率，含义是一单位能量，可以以速率传输的数据量。

(5)无线传感器网络收集所需要的数据会带来一定的收益，而数据延迟和无线充电能量耗费则会降低数据收集的收益；定义p⁰为单位数据无延迟的传输到数据收集点时，网络运营者的收益；定义c_d为数据延迟代价参数；因此，使用所收集能量传输数据延迟∈_j时，网络运营者的单位数据收益为p^j＝p⁰-c_d∈_j；注意到，回传链路有n个簇头节点，因此，可能会产生n个延迟∈₁，∈₂，...，∈_n；则系统在某段时间内总收益记为∏_c(S)，是数据回传总收益减去簇头节点收集能量所耗费的能量传输代价再减去能量存储损失代价。

(6)网络中设置中心化运算节点，在网络业务初始化时，根据网络参数情况，计算每个簇头节点应该存储的能量多少。

所述步骤(6)的计算步骤为：

(1)簇头节点按传输一单位数据耗费的能量收集时间∈_i排序，最小的∈_i值的簇头节点被标记为1，依次类推；

(2)最初簇头节点被分为N个组，每个组为一个单独的簇头节点；

(3)使用符号g表示第g个簇头组；l_g表示改组的第一个簇头，r_g表示该组中最后一个簇头；定义则当条件满足时，合并第g组和第g+1组簇头为新的第g组簇头；式中，m_lg,rg表示设置式子中参数a＝l_g，b＝r_g；m_lg+1,rg+1表示设置式子中参数a＝l_g+1,b＝r_g+1；

(4)上式中v_k由如下方法确定：簇头i存储S_i的能量，将会耗费充电站ε_iS_i电量，其中ε_i是充电的效率常数，由充电站的距离所决定，耗费ε_iS_i电量将引入v_iS_i代价；则v_k表示回传链路中第k个节点通过无线传输存储单位能量所造成的代价。

(5)合并过程持续进行直到合并条件对所有的组都不满足；

(6)对每一个簇头组解如下方程，得到该组中每个簇头存储的能量多少；

$>m_{a,b}+1=\frac{1}{\bar{F}\left(T\right)},T=S_i{f}_i,a\ge i\le b;$>

式中，m_a,b由式(1)定义；F(T)为该数据回传链路在某段时间内传输数据量小于等于T的概率；T表示数据量大小；S_i表示该节点提前进行能量收集所存储的能量。

所述簇头节点的存储策略为S＝{S₁，...，S_n}，该存储策略是指无线传感器网络针对未来某一段时间数据量回传所做的能量储备策略；也就是基于未来某段时间内数据回传量的概率分布。

本发明的有益效果是，本发明建立基于簇头的无线传感器网络能够降低网络节点能量耗费，簇头布置灵活；并能充分利用能量收集的最新技术。本发明使用基于簇头的数据回传链路收集数据，虽然会较大程度的耗费簇头能量，但是随着无线充电技术的进步，本发明融合了无线网络中无线充电节点的功能，为数据回传链路提供能量，降低了人工更换簇头节点电池的成本，便于管理、控制无线传感器网路。通过本发明能够确定针对传感器网络中基于簇头的数据回传链路能量收集存储量的大小，能最大化系统总收益Π_c(S)即数据回传总收益减去簇头节点收集能量所耗费的能量传输代价再减去能量存储损失代价。

附图说明

图1为本发明无线传感器网络中基于簇头的数据回传链路能量存储结构示意图；

图2为簇头组成的数据回传链路示意图；

图3为本发方法得到的簇头结点应该存储的能量值示意图；

图4为交叉重叠数据回传链路拓扑结构示意图。

具体实施方式

本实施例用于有100个节点组成的无线传感网络，整个传感网络中设置5个簇头节点，考虑一个边缘簇头把本簇内数据经过5跳传送给数据收集节点，如图2中回传链路所示。本实施例实施步骤如下：

设置具体的网络参数数值如下：无线充电装置的电量产生功率设为50W，对簇头节点收集能量的效率分别为0.005，0.01，0.015，0.0075，0.0125；本实施例中设置为500kbits/s，回传链路带宽设为w＝1MHz，边缘簇头所要回传的数据满足均值为50Mbits的指数分布；假设每500kbits数据以速率回传到收集点，所产生数量为1的收益。如果每500kbits每延迟1秒，则产生0.01的负收益。假设没存储一单位能量需要的代价是4.5，本实施例方法得到的该回传链路每个簇头节点存储的能量数值如图3所示，系统总收益定义为数据回传总收益减去簇头节点收集能量所耗费的能量传输代价再减去能量存储损失代价。本实施例所得到的系统总收益为103.94。

本实施例的优点：通过所述方法，能得到数据回传链路最优的速率和能量消耗折中，最终为无线传感器网络中能量收集及能量传输策略提供设计准则。

本实施例的方法也可以应用于回传链路交叉的情况，如图4所示。在这种情况下，对每条回传链路使用上述方法，得到簇头节点存储能量的数值。对于交叉的簇头节点，其存储能量值，应该是分别使用所提出方法得到的存储能量数值的累加值。