1.一种面向多跳无线充电的综合成本优化及成本分摊方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)建立多跳无线充电传感网络,形式化充电器部署的综合成本最小化问题;
(2)采用面向多跳无线充电的综合成本优化算法,得到充电器部署方案,并计算综合成本;
(3)采用面向多跳无线充电的成本分摊方案,将综合成本分配到每一个传感器节点上。
2.根据权利要求1所述的一种面向多跳无线充电的综合成本优化及成本分摊方法,其特征在于,步骤(1)所述的多跳无线充电传感网络为:多跳充电无线传感网络有n个传感器节点,可部署充电器位置集合为V={1,2,…,n},每个可部署充电器位置有一个传感器节点i,因此V也表示传感器节点集合;每个传感器节点i∈V有一个能量需求Di≥0;考虑所有充电器都是同质的,其电池容量上限均为DMAX,所有传感器节点也都是同质的,最大充电距离均为r;
任何两个位于可部署充电器位置的传感器节点a,b∈V之间的距离小于等于最大充电距离r时,都有一个能量转换效率0<πab≤1,能量转换效率是对称的,即πab=πba,特别的,传感器节点a到自己的能量转换效率为πaa=1,当两个传感器节点之间的距离大于r时,传感器节点之间是不能进行能量传输的,即能量转换效率πab=0;当两个传感器节点之间的能量转换效率不为零时,认为这两个传感器节点之间存在一条边,设E为边的集合,则整个多跳充电无线传感网络可以用图G(V,E)来表示。
3.根据权利要求1所述的一种面向多跳无线充电的综合成本优化及成本分摊方法,其特征在于,步骤(1)所述的形式化充电器部署的综合成本最小化问题过程如下:约束:
其中,α为一单位能量的成本,用β表示每个充电器的部署成本;多跳传输的能量转换效率为每次传输能量转换效率的乘积,即 其中Pij为从i到j的路径,(a,b)表示路径Pij上的一条边,i,j∈V分别为多跳传输路径上的源点和终点;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表示综合成本是能量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为单位充电器部署成本,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)和(6)分别确保xij和yi是布尔变量。
4.根据权利要求1所述的面向多跳无线充电的综合成本优化及成本分摊方法,其特征在于,所述步骤(2)包括以下步骤:
(21)形式化出与多跳充电器节点部署的综合成本最小化问题等价的覆盖问题,其中覆盖一个传感器节点是指该传感器节点的能量需求被满足:约束:
其中,Ti表示令以i为根的充电树,且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, 为充电森林,是所有充电树的集合,即F(Ti)是充电树Ti的综合成本,若 值为 否则值为0;所有充电树的综合成本之和就是总的综合成本,约束(8)、(9)确保所有传感器节点的充电需求都能被满足,且一个传感器节点只由一个充电器提供能量,约束(10)确保充电树上的总能量消耗不超过电池容量上限;
(22)对于每一个可部署充电器位置i∈V,在位置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的节点集,Ei为充电树Ti的边集,Vi,Ei最初都是空集;
(23)初始化未覆盖传感器节点集Vu=V,当前充电器可部署位置集Vc=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∈Vc,找到以该位置为根的,总能耗不超过DMAX的最佳扩展树T*i,其中最佳扩展树满足 其中, 称为平均边际综合成本;T'i是扩展树,V'i是扩展树中的节点集;
(26)对于每一个i∈Vc,找出平均边际综合成本最小的那棵充电树,设该充电树为Ti;
(27)将Ti中的传感器节点从未覆盖传感器节点集中删去,即Vu=Vu\Vi,将充电树Ti更新为对应的最佳扩展树,即Ti=T*i,将除根节点之外新加入的传感器节点从当前充电器可部署位置集中删去,即Vc=Vc\{Vi\{i}},返回步骤(24);
(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C,表示充电器被设置在这些位置上,按照充电树的形状,从根节点传输能量。
5.根据权利要求1所述的面向多跳无线充电中充电器部署的综合成本优化方法,其特征在于,所述步骤(3)实现过程如下:对于任何一个位于位置j的传感器节点,找到覆盖这个传感器节点的充电树,该充电树的根在i位置,则充电树表示为Ti,且有j∈Vi,则该传感器节点需要分摊的成本由以下公式得出:
其中, 表示为了满足充电需求,充电器实际需要能量成本, 表示和充电树中所有传感器节点一起均分充电器部署成本,传感器节点所需要分摊的综合成本为能量成本和部署成本之和。
6.根据权利要求4所述的面向多跳无线充电中充电器部署的综合成本优化方法,其特征在于,步骤(25)所述的总能耗不超过DMAX的最佳扩展树计算过程如下:(251)初始化充电器的剩余能量 初始化增加传感器节点数m=0,初始化Vi(m)=Vi,Ei(m)=Ei,令Ti(m)表示在Ti的基础上增加了m个传感器节点之后得到的充电树,初始化当前未覆盖位置集V'u=Vu,初始化最终增加的传感器节点数mMIN=0;
(252)若以i为根节点的充电树为空,即 将根节点加入充电树,令m=m+1,Vi(m)=Vi(m‑1)∪{i},更新剩余能量Dr=Dr‑Di,更新当前未覆盖位置集V'u=V'u\{i};
(253)如果Dr>0,则重复执行步骤(254)到步骤(255);否则进入步骤(256);
(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(m)中的传感器节点所在位置,jo是当前充电树Ti(m)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 m=m+1,Vi(m)=Vi(m‑1)∪{jo},V'u=V'u\{jo},Ei(m)=Ei(m‑1)∪(ji,jo);否则进入步骤(256);
(256)找出平均边际综合成本最小的情况,将该情况作为最佳扩展树输出,即令返回Ti(mMIN)。