一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法技术

本发明专利技术公开了一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，本发明专利技术结合两射频基站发射的射频电波在同一传感器节点处产生干涉现象这一特点，通过对同一等待充电传感器节点处两列电波的叠加分析，得出两射频基站的位置差与等待充电传感器节点充电效率的关系，进而计算出使整个网络充电效果最优的两基站位置。这一发明专利技术应用到射频充电无线传感器网络中，可以大幅度地提高等待充电节点的充电效率，从而延长整个无线传感器网络的寿命，同时减少整个系统的宕机时间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络、射频充电技术、射频干设等
，设及一种射频 充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，尤其设及存在两个基站的射频充电无线传感 器网络中使整个网络充电效果最优的基站停靠位置方法。
技术介绍
无线传感器网络主要由传感器节点组成，传感器节点具有信号感知、计算存储、无 线通信等功能。传感器节点被部署在需要进行监测的区域，该种部署通常是通过飞行器散 播、人工埋置等方式完成的。节点通过自组织形式构成网络，并通过多跳路由方式将监测的 数据传输至管理中屯、。用户可W通过访问管理中屯、的服务器来浏览、查询、捜索相关监控数 据。 无线传感器网络应用广泛，主要包括环境检测、工业及基础设施监控、智能家居、 医药系统W及军事等诸多领域。传感器网络中节点数量众多，且一般采用电池供电，可W使 用的电量有限，此外，无线传感器网络中大量的节点很可能是随机散布或是放置在环境恶 劣人类难W到达的地方或是嵌置在建筑结构中，靠人力更换电池难度大、成本高，有限的能 量问题成为了制约该类型网络发展的重要因素。如何为传感器节点更有效的补充电量成为 了无线传感器网络的重要研究方向之一。 射频充电技术是一种为传感器节点补充电量的新兴技术，在该技术中，基站通过 发射射频电波为发出充电请求的传感器节点补充电量。 目前从事基于射频技术的无线可充电传感器网络硬件研究的团队主要有Intel 实验室和化werCast公司。Intel实验室和华盛顿大学联合开发了射频识别标签（Wireless IdentificationSensingPlatformWISP),该种射频识別标签具有传感能力，不使用电池， 采用接收阅读器发射的射频能量转化的直流作为电能工作。而化werCast公司开发的无线 可充电传感器套件包括射频能量发射部分、能量接收部分、微处理器部分、传感器部分和射 频通信部分。能量发射部分由射频发生电路和天线两部分组成，持续发射915MHz中屯、频率 的电磁波，能量接收部分通过天线接收到电磁波后将其转换为高频电压脉冲，再通过倍压 整流电路将电压放大，将电磁福射转换为可用的电能给传感器节点供电。 然而，对于存在两个基站的无线传感器网络中如何使整个网络充电效果最优的问 题仍然未能很好的解决。 同时，由于不同基站与等待充电传感器节点间的距离不同，该种因距离差产生的 相位差会导致不同基站发出的射频电波在等待充电传感器节点处产生射频电磁波干设现 象，从而影响到待充电节点的充电效率。如何很好的利用射频干设现象来提高整个网络的 充电效率是本专利技术研究的重点。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术提出了一种存在两个基站的射频充电无线传感 器网络中寻找使整个网络传感器节点充电效果最优的基站停靠位置方法。 本专利技术所采用的技术方案是：一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方 法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤1 ;设两个基站为ETUET2,等待充电传感器节点为S1，ET1到S1的距离为rl， ET2到S1的距离为r2，射频电波波长为A，分析在射频充电无线传感器网络中，当两个基站 同时发射射频能量时，在S1处存在着射频建设性增强现象或射频摧毁性衰减现象； 步骤2 ;分析S1的充电效率n与两基站发出电磁波在S1点处相位差的关系； 步骤3 ;分析W下情况下射频充电无线传感器网络中基站的最优停靠位置； 情况一：若两个基站ET1、ET2为一个传感器节点S1充电，则； 只需控制两基站停靠在距离S1为kA的同屯、圆上即可；其中，A为射频电磁波波 长，k为整数，1《k《65 ;因为，处于同屯、圆上的两基站与S1节点的距离差刚好为波长的 整数倍，分别由两基站发出的两列电磁波在该点处产生建设性干设，使得该点处接收到的 能量增强； 情况二：若两个基站ET1、ET2为两个传感器节点S1、S2充电，则； 只需控制两基站停靠在距离S1为kA与距离S2为kA的同屯、圆上的交点上即可； 因为，处于交点上的两基站无论是到S1节点还是到S2节点的距离差均为波长的整数倍，分 别由两基站发出的两列电磁波在该两点处产生建设性干设，使得接收能量增强； 情况S;若两个基站ETUET2为S个传感器节点S1、S2、S3充电，则；[001引 （1)若S1、S2、S3共线，则只需要保证ET1与ET2处于S个节点的同侧且两基站间 的距离差为kA，就能够使所有传感器节点处产生建设性干设，充电效果最优；[001引 似若S1、S2、S3不共线，设S2,S3的坐标分别为（0,d)和（0, -d)，S1节点的坐 标为（XI，yl) ;WS2,S3的连线为Y轴，W连线的垂直平分线为X轴建立平面直角坐标系， 在X轴上寻找对称的两点A(-C，0)和B(C，0)，使得A到S1的距离与B到S1的距离之差为 k入，若该样的两点存在，两基站分别停靠在该两点上，就能够实现S1，S2,S3处同时产生建 设性干设；因为此时，ET1与ET2到S2的距离相等，故对于S2增强；ET1与ET2到S3的距 离相等，故对于S3增强；ET1到S1的距离减去ET2到S1的距离为kA，故对于S1也增强； 情况四：若两个基站ET1、ET2为N个传感器节点充电，N> 3,则； (1)若N个传感器节点共线，则只需要保证ET1与ET2处于N个节点的同侧且两基 站间的距离差为kA，就能够使所有传感器节点处产生建设性干设，充电效果最优； (2)若N个传感器节点不共线，首先推导出节点充电效率n公式，每个n值对应 一个值e，进而对应一个距离区间比A-e，kA+e];若两基站到等待充电传感器节点间 距离差落入该区间内，则该节点处的充电效率至少为n;在N个节点中任选S个节点，按照 上述情况S中的方式构建平面直角坐标系并计算出两个移动基站ET1和ET2的停靠位置， 共有C非3种选择，此时，选中的=个传感器节点处都能实现建设性干设，可接收能量显著增 强，又因为对于每一种选择，两基站停靠位置与等待充电传感器节点间的距离差为kA，k 为变量，设1^的最大值为111 ;因此N个节点充电问题共有C^<3><m种方案；任选其中的两种方 案设为A，B，对于剩余的N-3个节点，分别计算节点到两个基站的距离差，并进行下列判断：若A方案中距离差落入比A-e，kA+e]的节点数目〉B方案中距离差落入 比入-e，k入+e]的节点数目，贝IJA方案优； 若A方案中距离差落入比A-e，kA+e]的节点数目=B方案中距离差落入 比入_ ￡，k入+ ￡ ]的节点数目，贝1J比较两种方案中落入区间比入-￡，k入+ ￡ ]中的节点至。 两个基站的距离差的绝对值对波长取余后的和值，和值小的方案优；考虑所有方案之后，求得最优解。 作为优选，步骤1中所述的射频干设现象包括W下情况： 当rl=r2 =A时，此时由于两基站到S1的距离差为0,若两基站同步，则由此产 生的相位差为0,两基站在S1处产生射频建设性增强现象； 当rl=r2 =A/2时，此时由于两基站到S1的距离差为A/2,若两基站同步，现J 由此产生的相位差为n，两基站在S1处产生射频摧毁当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：设两个基站为ET1、ET2，等待充电传感器节点为S1，ET1到S1的距离为r1，ET2到S1的距离为r2，射频电波波长为λ，分析在射频充电无线传感器网络中，当两个基站同时发射射频能量时，在S1处存在着射频建设性增强现象或射频摧毁性衰减现象；步骤2：分析S1的充电效率η与两基站发出电磁波在S1点处相位差的关系；步骤3：分析以下情况下射频充电无线传感器网络中基站的最优停靠位置；情况一：若两个基站ET1、ET2为一个传感器节点S1充电，则：只需控制两基站停靠在距离S1为kλ的同心圆上即可；其中，λ为射频电磁波波长，k为整数，1≤k≤65；情况二：若两个基站ET1、ET2为两个传感器节点S1、S2充电，则：只需控制两基站停靠在距离S1为kλ与距离S2为kλ的同心圆上的交点上即可；情况三：若两个基站ET1、ET2为三个传感器节点S1、S2、S3充电，则：(1)若S1、S2、S3共线，则只需要保证ET1与ET2处于三个节点的同侧且两基站间的距离差为kλ，就能够使所有传感器节点处产生建设性干涉，充电效果最优；(2)若S1、S2、S3不共线，设S2，S3的坐标分别为(0，d)和(0，‑d)，S1节点的坐标为(x1,y1)；以S2，S3的连线为Y轴，以连线的垂直平分线为X轴建立平面直角坐标系，在X轴上寻找对称的两点A(‑c，0)和B(c，0)，使得A到S1的距离与B到S1的距离之差为kλ，若这样的两点存在，两基站分别停靠在这两点上，就能够实现S1，S2，S3处同时产生建设性干涉；情况四：若两个基站ET1、ET2为N个传感器节点充电，N＞3，则：(1)若N个传感器节点共线，则只需要保证ET1与ET2处于N个节点的同侧且两基站间的距离差为kλ，就能够使所有传感器节点处产生建设性干涉，充电效果最优；(2)若N个传感器节点不共线，首先推导出节点充电效率η公式，每个η值对应一个值ε，进而对应一个距离区间[kλ‑ε,kλ+ε]；若两基站到等待充电传感器节点间距离差落入该区间内，则该节点处的充电效率至少为η；在N个节点中任选三个节点，按照上述情况三中的方式构建平面直角坐标系并计算出两个移动基站ET1和ET2的停靠位置，共有种选择，此时，选中的三个传感器节点处都能实现建设性干涉，可接收能量显著增强，又因为对于每一种选择，两基站停靠位置与等待充电传感器节点间的距离差为kλ，k为变量，设k的最大值为m；因此N个节点充电问题共有种方案；任选其中的两种方案设为A，B，对于剩余的N‑3个节点，分别计算节点到两个基站的距离差，并进行下列判断：若A方案中距离差落入[kλ‑ε,kλ+ε]的节点数目>B方案中距离差落入[kλ‑ε,kλ+ε]的节点数目，则A方案优；若A方案中距离差落入[kλ‑ε,kλ+ε]的节点数目＝B方案中距离差落入[kλ‑ε,kλ+ε]的节点数目，则比较两种方案中落入区间[kλ‑ε,kλ+ε]中的节点到两个基站的距离差的绝对值对波长取余后的和值，和值小的方案优；考虑所有方案之后，求得最优解。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，余纯武，董岩松，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42