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CN111601378B - 一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法 - Google Patents

一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法 Download PDF

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CN111601378B CN202010393450.7A CN202010393450A CN111601378B CN 111601378 B CN111601378 B CN 111601378B CN 202010393450 A CN202010393450 A CN 202010393450A CN 111601378 B CN111601378 B CN 111601378B
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Abstract

本发明涉及一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法，属于无线通信领域。容量有限的可充电电池检测到无法存储收集的过多太阳能时，采用富余能量主动分享的方式将多余的能量分享给其他节点，提高网络能量利用效率。富余能量主动分享过程中，各富余能量主动分享节点将建立属于该节点的能量分享集合，该集合中的节点用来接收能量分享节点分享的射频能量。富余能量主动分享节点根据其能量分享集合中各节点的能量差值有序的为能量接收节点发送射频能量序列，直至该能量分享节点收集的能量不再过剩，终止该节点能量分享过程。本发明充分利用射频能量传输技术实现节点间的能量分享，可有效改善网络的能量配置，提高收集能量的利用效率。

Description

一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法。
背景技术
能量收集的无线传感网中各节点配备太阳能能量收集装置、射频能量收集装置和容量有限的可充电电池。分布于不同区域的依靠收集的太阳能供能的传感器节点因受光照强度不同，导致能量收集不均衡。现有可充电电池容量有限，太阳能电池板受长时间、高强度光照后收集的大量能量无法存储，造成能量的浪费。而弱光照射或被遮挡的节点收集的能量较少，导致节点能量供应不足。收集能量过剩的节点因电池容量有限，多余能量不能存储造成资源浪费，能量收集不足的节点因能量不足而无法正常工作，能量收集的不均衡严重影响网络的运行性能。
当前，射频能量收集技术被视为替代传统电池供能的重要技术之一，成为无线通信领域的研究热点。射频能量收集技术包括信息与能量同传、射频能量传输等技术，在无线传感网中的应用前景较大。针对依靠收集太阳能供能的无线传感网中存在能量收集不均衡的情况，采用发送射频能量序列的方式使能量收集过剩的节点主动将多余能量分享给其它能量不足的节点。
本发明针对能量收集不均衡且可充电电池容量有限的无线传感网，提出了一种富余能量主动分享方法，使过剩的能量的节点主动将剩余能量尽可能多的分享给更多中继节点，以改善网络的能量配置，在提高能量利用效率的同时提升网络数据传输的可靠性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法。使能量收集过多而因可充电电池容量有限不能存储的节点将过剩的能量分享给其它能量收集不足的节点，克服现有网络电池容量有限和能量分布不均衡的缺陷，改善网络的能量配置，在提高网络能量利用率的同时提升网络数据传输的可靠性。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法，该方法包括以下步骤：
S1：能量收集的无线传感网中，传感器节点si在时刻t检测收集的太阳能能量值
Figure BDA0002486476340000011
是否超过该节点可充电电池的剩余存储容量Emax；若
Figure BDA0002486476340000021
小于Emax，将收集的能量存储于可充电电池为节点正常工作提供能量；若
Figure BDA0002486476340000022
大于Emax，转至步骤S2；
S2：当节点si在时刻t检测到收集的太阳能值大于Emax时，该节点成为富余能量主动分享节点，记为stek，k表示能量分享节点的编号；节点stek广播富余能量主动分享AES帧，接收到AES帧且能量收集不足的节点加入节点stek的能量分享集合E(stek)中；每个能量分享节点stek都有属于各自的能量分享集合E(stek)，E(stek)中的节点记为srek_i，其中k表示能量分享节点的编号，i表示E(stek)中能量接收节点的序号；在接下来的时隙T1中，srek_i采用分布式竞争方式竞争射频能量接收顺序{srek_1,srek_2,...,srek_n}；
S3：能量分享节点stek将按照顺序{srek_1,srek_2,...,srek_n}依次为E(stek)中的节点发送射频能量序列。
可选的，所述步骤S2中，能量分享集合的形成方法为，当节点sj收到节点stek发送的AES帧后，检测本节点收集的能量是否充足，若收集的太阳能不足，sj加入集合E(stek)中，此时节点sj成为节点stek的能量接收节点，记为srek_i；从sj加入集合E(stek)到该节点接收到stek发送射频能量的的时间段内，不再接收其它能量分享节点发出的AES帧；每个能量分享节点stek有各自的能量分享集合E(stek)，且各能量分享集合相互之间无交集。
可选的，所述步骤S2中，能量接收集合E(stek)中各节点的分布式竞争具体方法为，节点srek_i计算自身剩余能量
Figure BDA0002486476340000023
与数据发送过程中需要消耗能量
Figure BDA0002486476340000024
的差值
Figure BDA0002486476340000025
此时srek_i配备的定时计数器开始递减，且定时器初值设置为能量差值
Figure BDA0002486476340000026
成正比，直至计数器计数为0，能量差值最小的节点最先胜出；最先计数为0的节点向能量分享节点stek发送能量接收请求ERR帧，节点stek接收到ERR帧后对该节点标号srek_1；待其它节点定时器计数为0后依次向stek发送ERR帧，且stek根据记录的ERR帧先后顺序为其编号，最后发送ERR帧的节点标号为srek_n。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明针对能量收集无线传感网中各节点收集能量的不均衡和可充电电池容量有限的问题，提出富余能量主动分享策略，使能量收集过多但又无法存储的节点通过射频方式将多余能量分享给能量收集不足的节点，改善网络的能量配置，提高全网的能量利用效率。
(2)本发明在富余能量主动分享过程中，能量分享集合中的节点按照需要能量值与剩余能量的差值从小到大的顺序进行射频能量序列的发送，使能量差值最小的节点优先接收射频能量，能量差最大的节点最后接收射频能量，从而确保网络中能量充足的节点数达到最多，提升网络传输的可靠性。
(3)本发明充分利用网络节点间的能量合作，有效改善了网络的能量配置，提高了全网的能量利用效率，提升了数据传输的可靠性，具有较好的实用性。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明的系统模型流程图。
图2为本发明所述主动能量合作方法的通信流程图：图2(a)为能量分享节点广播AES帧图；图2(b)为各能量分享节点的能量分享集合；图2(c)为ERR帧广播图；图2(d)为射频能量分享图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，为本发明的能量收集无线传感网中一种富余能量主动分享方法的系统模型。本发明考虑的系统模型由多个源节点si(i＝1,...,N)和一个目的节点d组成。网络中各节点均配备太阳能收集装置、射频能量收集装置和可充电电池。源节点si与目的节点d通信过程中需要其它节点协作时，与源节点和目的节点信道条件足够好的节点sj(j＝1,...,N,j≠i)当选中继节点r。协作传输中，中继r消耗部分能量将数据转发至目的节点d。定义节点si、sj、sk与目的节点d、节点si与节点sk、节点si与节点sj间的信道增益分别为
Figure BDA0002486476340000041
Figure BDA0002486476340000042
方差分别为
Figure BDA0002486476340000043
各节点均处于半双工工作方式。
如图2所示，为本发明的能量收集无线传感网中一种富余能量主动分享方法的通信流程图，富余能量主动分享方法实施过程如下：
如图2(a)所示，传感器节点ste1在时刻t检测收集的太阳能能量值大于该节点可充电电池的剩余存储容量，向周围节点发出富余能量主动分享AES帧。
如图2(b)所示，富余能量主动分享节点ste1...stek按以下方法形成属于各自的能量接收集合。当节点sj收到节点ste1发送的AES帧后，检测本节点收集的能量是否充足，若收集的太阳能不足，sj加入集合E(ste1)中，此时节点sj成为节点ste1的能量接收节点，记为sre1_i。从sj加入集合E(ste1)到该节点接收到ste1发送射频能量的的时间段内，不再接收其它能量分享节点发出的AES帧。节点srek的能量分享集合的形成同理。
如图2(c)所示，能量接收集合E(stek)中各节点按照以下竞争方式竞争能量接收顺序。节点srek_i计算自身剩余能量
Figure BDA0002486476340000044
与数据发送过程中需要消耗能量
Figure BDA0002486476340000045
的差值
Figure BDA0002486476340000046
此时srek_i配备的定时计数器开始递减，且定时器初值设置为能量差值
Figure BDA0002486476340000047
成正比，直至计数器计数为0，能量差值最小的节点最先胜出。最先计数为0的节点向能量分享节点stek发送能量接收请求ERR帧，节点stek接收到ERR帧后对该节点标号srek_1。待其它节点定时器计数为0后依次向stek发送ERR帧，且stek根据记录的ERR帧先后顺序为其编号，最后发送ERR帧的节点标号为srek_n。最后竞争顺序为，{srek_1,srek_2,...,srek_n}。
如图2(d)所示，能量分享节点stek按照E(stek)中各节点竞争的顺序{srek_1,srek_2,...,srek_n}依次为能量接收节点发送射频能量序列，直至stek收集的能量不再过剩。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：能量收集的无线传感网中，传感器节点si在时刻t检测收集的太阳能能量值
Figure FDA0003485492240000011
是否超过该节点可充电电池的剩余存储容量Emax；若
Figure FDA0003485492240000012
小于Emax，将收集的能量存储于可充电电池为节点正常工作提供能量；若
Figure FDA0003485492240000013
大于Emax，转至步骤S2；
S2：当节点si在时刻t检测到收集的太阳能值大于Emax时，该节点成为富余能量主动分享节点，记为stek，k表示能量分享节点的编号；节点stek广播富余能量主动分享AES帧，接收到AES帧且能量收集不足的节点加入节点stek的能量分享集合E(stek)中；每个能量分享节点stek都有属于各自的能量分享集合E(stek)，E(stek)中的节点记为srek_i，其中k表示能量分享节点的编号，i表示E(stek)中能量接收节点的序号；在接下来的时隙T1中，srek_i采用分布式竞争方式竞争射频能量接收顺序{srek_1,srek_2,...,srek_n}；
所述步骤S2中，能量接收集合E(stek)中各节点的分布式竞争具体方法为，节点srek_i计算自身剩余能量
Figure FDA0003485492240000014
与数据发送过程中需要消耗能量
Figure FDA0003485492240000015
的差值
Figure FDA0003485492240000016
此时srek_i配备的定时计数器开始递减，且定时器初值设置为能量差值
Figure FDA0003485492240000017
成正比，直至计数器计数为0，能量差值最小的节点最先胜出；最先计数为0的节点向能量分享节点stek发送能量接收请求ERR帧，节点stek接收到ERR帧后对该节点标号srek_1；待其它节点定时器计数为0后依次向stek发送ERR帧，且stek根据记录的ERR帧先后顺序为其编号，最后发送ERR帧的节点标号为srek_n；最后竞争顺序为{srek_1,srek_2,...,srek_n}；
S3：能量分享节点stek将按照顺序{srek_1,srek_2,...,srek_n}依次为E(stek)中的节点发送射频能量序列。
2.根据权利要求1所述的一种能量收集不均衡传感网中的富余能量主动分享方法，其特征在于：所述步骤S2中，能量分享集合的形成方法为，当节点sj收到节点stek发送的AES帧后，检测本节点收集的能量是否充足，若收集的太阳能不足，sj加入集合E(stek)中，此时节点sj成为节点stek的能量接收节点，记为srek_i；从sj加入集合E(stek)到该节点接收到stek发送射频能量的的时间段内，不再接收其它能量分享节点发出的AES帧；每个能量分享节点stek有各自的能量分享集合E(stek)，且各能量分享集合相互之间无交集。
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