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专利号: 2020108425838
申请人: 南京邮电大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2025-04-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种面向多跳无线充电的充电器部署的综合成本优化方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)建立充电模型,形式化综合成本优化问题;

(2)采用初始化充电森林算法,找出可以满足所有传感器节点充电需求的最少充电器部署数目及部署位置;

(3)根据初始化充电森林算法得到的结果,执行综合成本节省算法,得到优化后的部署方案,计算综合成本;

所述步骤(1)实现过程如下:

有着n个传感器节点的多跳无线传感网络,可部署充电器位置集为V={1,2,…,n},每个可部署充电器位置有一个传感器节点i,传感器节点有一个能量需求Di≥0,充电器部署看作是向传感器节点安装高容量电池,充电器是同质的,其电池容量上限均为DMAX,只有充电器才能成为能量源,但当每个传感器节点的能量需求被满足,且获得了多余能量时,将能量通过磁共振的方式传输给其最大充电距离内的其他传感器节点;传感器节点具有相同的最大充电距离,一旦传感器节点之间的距离超过最大充电距离,传感器节点之间不能进行能量传输,设置能量损耗比为无限大,多跳传输的能量损耗比为每次传输能量损耗比的乘积,即 πab为(a,b)间的能量损耗比,Pij为从i到j的路径,(a,b)表示路径上的边,i,j∈V为分别为多跳传输路径上的源点和终点;

形式化多跳充电中充电器部署的综合成本优化问题如下:

约束:

其中,xij表示位置j上的传感器是否由位置i上的充电器来充电,如果是,则xij=1,否则xij=0,yi表示位置i上是否部署充电器,如果是,则yi=1,否则yi=0,公式(1)中目标函数F表示综合成本是实际能量消耗成本和充电器部署成本之和,α为单位能量成本,表示一单位能量需要的成本,β为充电器部署成本,可以是租赁费用、折旧费用或者安装成本,约束(2)确保一个传感器节点只由一个充电器提供能量,约束(3)确保充电树上的总能量消耗不超过电池容量上限,约束(4)确保生成的是树,约束(5)、(6)确保xij,yi是布尔值;

所述步骤(2)包括以下步骤:

(21)根据传感器网络中节点之间能量损耗比,获得充电网络图G(V,E),其中V是传感器节点所在位置的集合,E是边的集合,若两个传感器节点之间损耗比不是无穷,则存在一条边,否则,两点之间不存在边,边上的值为能量损耗比,形式化初始化充电森林问题如下,其中公式(7)表示最小化充电器数量:约束:公式(2)–公式(6)

(22)对于每一个可部署充电器位置i∈V,在i部署充电器,令以i为根的充电树为Ti=(Vi,Ei),其中Vi为充电树Ti中传感器节点位置的集合,Ei为充电树Ti中的边集合,最初两个集合都是空集;

(23)初始化未覆盖位置集Vu=V,充电森林

(24)若 执行步骤(25)到步骤(27),否则执行步骤(28);

(25)对于每一个i∈Vu,找到以该位置为根的,总能耗不超过DMAX的,包含传感器节点数量最多的充电树Ti';

(26)在步骤(25)中形成的所有充电树中找出包含传感器节点最多的一棵树,标记这棵树为T'i;

(27)将该树中的传感器节点从未覆盖节点集中删去,即Vu=Vu\Vi,将充电树更新到充电森林中,即Ti=T'i;

(28)返回充电森林 充电森林中所有充电树的树根位置构成充电器集合C1,表示充电器被设置在这些位置上;

所述步骤(3)包括以下步骤:

(31)定义综合成本节省函数ΔF为:

增加集合 中的传感器节点为充电器,在新的充电器增加到某个充电树中后,新增充电器及其在充电树中的子节点一起得到新的充电树,节省的综合成本函数就是旧森林总能量成本减去新森林总能量成本获得的成本节省,再减去增加充电器造成的部署成本增加值,目标是最大化综合成本节省函数,为了保证函数值是非负的,定义由于βn是常数,最大化ΔF等价于最大化(32)初始化新增充电器集合 备选新增充电器集合Y=V\C1;

(33)对于每一个位置w∈V\C1,重复执行步骤(34)到步骤(35);

(34)计算出 和

(35)若a=b,把该节点加入新增充电器集合,即X=X∪{w},并更新充电森林;否则,以一定的概率执行以下两种不同的操作:①以a/(a+b)概率执行加入操作,即X=X∪{w},并更新充电森林;

②以b/(a+b)概率不加入,即Y=Y\{w}。

2.根据权利要求1所述的面向多跳无线充电的充电器部署的综合成本优化方法,其特征在于,所述步骤(25)包括以下步骤:(251)初始化充电器的剩余能量Dr=DMAX;

(252)判断剩余能量是否足够给位置i上的传感器节点充电,如果是,则令Vi=Vi∪{i};

Vu=Vu\{i};Dr=Dr‑Di;否则返回充电树Ti;

(253)如果Dr>0,则重复执行步骤(254)到步骤(255);否则返回充电树Ti;

(254)找到能耗最小的传感器节点,不妨设该节点位于jo,使得所耗费的能量最小,即的值最小,其中ji为当前充电树Ti中的传感器节点所在位置,jo是当前充电树Ti外的传感器节点所在位置;

(255)如果充电器的剩余能量足够给位于jo的传感器节点充电,即则令 Vi=Vi∪{jo},Vu=Vu\{jo},Ei=Ei∪(ji,jo);否则,返回充电树Ti。