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一种射频能量捕获网络移动能量源均衡化充电策略
资料介绍
为解决传统电池供电传感器网络存在的电池不易更换、节点能量容易耗尽等问题,射频能量捕获技术已逐步应用于无线可充电传感器网络中.由于不同位置传感器节点的工作负荷不同,捕获能量也有差异,实现节点能量的均衡化分布可以有效地提高节点的存活率.考虑射频能量源移动充电的场景,在已知节点位置信息的条件下,设计合理均衡的路由方案和充电算法.首先将区域基于蜂窝六边形网格划分,分别对网格和节点分层,提出逐层传输的均衡式路由策略,然后给出无线充电小车的移动路径,对相邻两层内节点剩余能量的方差最小化问题建模,由内层向外层依次确定能量源在各停留点的充电时间.仿真结果表明,相比已有的均衡化充电方法,该策略可以明显提高节点剩余能量的均衡性,从而延长网络的生命周期.
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Vol． 46 No． 12
Dec． 2018
第
期
电
子
学
报
2018
12
ACTA ELECTRONICA SINICA
年
月
一种射频能量捕获网络移动能量源
均衡化充电策略
1
1，2
1
1
1
， ， ， ，
田贤忠 祝驿楠 何佳存 郭 敏 刘 高
( 1．
，
浙江工业大学计算机科学与技术学院 浙江杭州
310023; 2．
，
浙江工业大学健行学院 浙江杭州
310023)
:
、 ，
为解决传统电池供电传感器网络存在的电池不易更换 节点能量容易耗尽等问题 射频能量捕获技术
摘
要
． ， ，
已逐步应用于无线可充电传感器网络中 由于不同位置传感器节点的工作负荷不同 捕获能量也有差异 实现节点能
． ， ，
量的均衡化分布可以有效地提高节点的存活率 考虑射频能量源移动充电的场景 在已知节点位置信息的条件下 设
． ， ，
计合理均衡的路由方案和充电算法 首先将区域基于蜂窝六边形网格划分 分别对网格和节点分层 提出逐层传输的
， ， ，
均衡式路由策略 然后给出无线充电小车的移动路径 对相邻两层内节点剩余能量的方差最小化问题建模 由内层向
． ， ，
外层依次确定能量源在各停留点的充电时间 仿真结果表明 相比已有的均衡化充电方法 该策略可以明显提高节点
，
剩余能量的均衡性 从而延长网络的生命周期
．
:
;
;
;
关键词
中图分类号
URL: http: / /www． ejournal． org． cn
射频能量捕获 无线传感器网络 能量均衡 无线充电
:
TN911
:
A
: 0372-2112 ( 2018) 12-2985-08
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2018． 12． 023
文献标识码
文章编号
电子学报
A Balanced Charging Scheme for Mobile Energy
Transmitter in RF Energy Harvesting Network
1
1，2
1
1
1
TIAN Xian-zhong ，ZHU Yi-nan ，HE Jia-cun ，GUO Min ，LIU Gao
( 1. College of Computer Science and Technology，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310023，China;
2. Jianxing Honors College，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310023，China)
Abstract: In order to solve the problems existing in the traditional battery-powered sensor network that the battery is
not available to replace and the energy of nodes is easy to be exhausted，RF energy harvesting technology has been applied to
the wireless rechargeable sensor network． Since the workload and harvested energy of sensor nodes in different positions are
different，balanced distribution of nodes’energy can effectively improve the survival rate of nodes． Considering the scenario
where mobile RF energy transmitter is employed for charging，we design a reasonable balanced routing scheme and charging
algorithm under the conditions of known nodes’location information． First，the network area is discretized based on the cel-
lular hexagonal grid where the grids and nodes are stratified respectively． A balanced routing scheme of hierarchical data
transmission is proposed． Then we formulate mathematic model with pre-defined energy transmitter’s moving path to mini-
mize the variance of the nodes’residual energy in the adjacent two layers and derive the charging time at different charging
spots from the inner layer to the outer layer． Simulation results reveal that compared with the existing balanced charging
method，our proposed algorithm can significantly improve the balance of node’s residual energy and prolong the network li-
fetime．
Key words: RF energy harvesting; wireless sensor network; nodes’energy equalization; wireless charging
WSN)
， ，
中传感器节点由电池供电 能量容易耗尽 网络
1
引言
［1 ～ 3］
，
生存周期较短 限制了其实际应用场景
．
无线可充
( Wireless Sensor Network，
传统的无线传感器网络
，
电传感器网络作为目前的研究热点 通过捕获外界能
: 2017-09-15;
: 2018-05-24;
:
责任编辑 梅志强
收稿日期
修回日期
:
基金项目 国家自然科学基金
( No． 61672465，No． 61772472) ;
( No． LY15F020027，No． LY17F020020)
浙江省自然科学基金
2986
2018
年
电
子
学
报
， ．
量为传感器供电 以解决上述问题 射频能量作为最具
．
的存活率
［12］ :
但是文献 方案中尚存在不足 没有考虑里层
，
研究前景的能量之一 节点可捕获专用的射频能量或
节点剩余能量小于能量阈值的情况以致网络节点存活
环境的射频能量转化为电能给传感器的收发数据等正
;
率低 小车在各方环的充电时间仅考虑节点平均消耗
．
常工作供能
， ．
能量 节点剩余能量的均衡性可以进一步增强 针对上
( Radio Frequen-
本文考虑的是射频能量捕获网络
，
述不足 本文提出一种射频能量捕获网络移动能量源
cy Energy Harvesting Network，RF-EHN)
中专用能量源
移动的情况 主要研究的问题是确定能量源小车的移
动路线和各停留点的停留时间以更优地提升网络性
， ，
均衡化充电策略 首先将区域划分为六边形网格 将六
，
，
边形的中心点作为小车移动过程中的停留点 将传感
， ，
器节点分层 给定能量源移动路径 基于机会路由提出
． ， ． ，
能 针对这个问题 已有一些研究成果 比如 针对单
［4］
，
一种分配小车充电时间的算法 满足相邻两层网络节
点剩余能量方差最小以实现节点能量的最大均衡化需
，Fu
个移动能量源充电的场景
等人 阐述了充电时延
对网络的阻碍 通过近似能量捕获模型将问题简化为
( Linear Programming，LP)
，
．
求 本文的主要贡献如下
:
，
问题 最
最小时延线性规划
( 1)
，
本文通过六边形网格划分区域 提出一种基于
终通过聚类求解得到小车的行走路径和各停留点的
［5］
，
节点分层的均衡式路由策略 并建立节点剩余能量均
; Xie
停留时间
等人 以最大化小车休息时间为目标
，
衡化模型 设计了一种移动无线射频小车充电时间分
、
优化小车的行走路径 停留时间以及数据包转发路
［6］
．
配的高效算法
( 2)
; Shi
，
等人 在此基础上设计了一种动态路由算法
由
，
对于节点剩余能量的均衡性模型 从最里层出
;
进一步优化了能量源休息时间对总时延的占比 文献
，
发 以最小化相邻两层节点剩余能量方差为目标函数
，
［7］ ，
在能量源移动时间受限的约束下 通过研究节点
逐层求解得到充电小车在任意相邻两层停留时间的函
，
激活调度方案和小车移动策略 实现节点随机事件捕
［8］
，
数关系 同时设置能量阈值作为约束条件确保节点存
; Chen
获服务质量的最大化
等人 则同时考虑了小车
，
活 最终确定小车在各层的停留时间
．
，
移动过程动态充电和在停留位置静止充电的情况 得
( 3)
，
通过仿真实验 对比已有的能量均衡化充电策
．
到了更短的充电时延
，
略 验证上述策略的有效性
．
由于射频能量源不能无休止地滞留于网络中充
， ，
电 其时延过大将阻碍网络通信 因此充电后各节点
2
系统模型
．
的剩余能量将可能直接决定此后网络的存活时间
本文将传感器节点所处的二维区域以基站为中
，
实现节点能量的均衡化 将有助于规避部分节点能
， ，
心 基于蜂窝六边形结构划分 网络模型示意图如图
1
．
量提前耗尽的情况 然而大量研究中节点的能量只
． ，
所示 无线射频充电小车修整结束后从基站出发 由内
，
是达到最低的工作阈值 并未较好地对节点的能量
，
向外按层为传感器节点进行移动充电 其移动过程中
， 、
平衡进一步探讨 很大程度上导致了能量空洞 网络
，
的停留位置在各六边形网格的中心点 同一层各停留
．
节点存 活 率 低 等 问 题 有 关 节 点 能 量 方 面
，He
等
， T ．
点的充电时间相同 经过周期 时间后回到基站 设划
［9］
，
考虑传感器的剩余寿命 对充电节点的选择和
人
M，
小车移动路径上停留点的集合为
分的蜂窝网格数为
，
能量源移动路径两个维度进行规划 设计启发式算
法最大化传感器节点消耗总能量相对小车移动过程
Path = { p ，p ，…p } ，
传感器节点的数目为
M
N， i
对于第
1
2
( i)
( i)
s ，
个传感器节点 其坐标用
i
( x ，y
s
)
．
来表示 节点初始
s
; ［10］
中消耗能量的比率 文献 中阐述了网络中节点
E
．
为常数 由于越靠近基站的节点工作负荷越大
，
能量
0
，
负载不同而引发的能量失衡问题 采用平衡意识布
， ，
消耗能量越多 为使节点剩余能量尽可能均衡化 因此
［11］
; Xia
置方法设计能量源的位置以优化充电效率
等
．
越靠近里层的停留点上充电时间相对越长
2. 1
射频能量捕获模型
，
人则提出能量平衡区域的概念 揭示了能量平衡仅
，
能在局部区域中实现 将网络生命周期最优问题转
( j)
( j)
j
当无线充电小车处于第 个停留位置
p ( x ，y ) ，
p
j
p
．
化为区域分割问题
s
d
节
点
与
小
车
之
间
的
距
离
i
i，j
［12］
［12］． Han
与本文直接相关的是文献
等人
以
( i)
( j)
2
( i)
( j)
2
=
( x － x
s
槡
) + ( y － y ) ．
s
p
p
，
四边形网格划分区域 针对基站附近节点中继数据
Free-Space
， P
模型 节点能量接收功率 和能
r
根据
，
包较多所引起的消耗能量较多 远离基站节点消耗
［13］
P
量发送功率 之间的关系表示如下
t
:
， ，
能量较少的情况 考虑节点剩余能量的均衡性 制定
2
G G
r
λ
t
，
了一种新的多跳路由选择策略 并给出小车的移动
P ， d d
"
0
η
t
(
)
4 ( d + )
π ε
i，j
L
P =
r
( 1)
p
，
路线 使其充电时间与每层网格内部传感器消耗能
{
0，
d ＞ d
0
， ，
量呈正比 使能量供给更均衡化 有效提高网络节点
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