一種射頻充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基站的位置優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻充電技術(shù)、射頻干設(shè)等技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種射頻 充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基站的位置優(yōu)化方法，尤其設(shè)及存在兩個(gè)基站的射頻充電無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)充電效果最優(yōu)的基站停靠位置方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)具有信號(hào)感知、計(jì)算存儲(chǔ)、無 線通信等功能。傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在需要進(jìn)行監(jiān)測的區(qū)域，該種部署通常是通過飛行器散 播、人工埋置等方式完成的。節(jié)點(diǎn)通過自組織形式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，并通過多跳路由方式將監(jiān)測的 數(shù)據(jù)傳輸至管理中屯、。用戶可W通過訪問管理中屯、的服務(wù)器來瀏覽、查詢、捜索相關(guān)監(jiān)控?cái)?shù) 據(jù)。
[0003] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，主要包括環(huán)境檢測、工業(yè)及基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、智能家居、 醫(yī)藥系統(tǒng)W及軍事等諸多領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，且一般采用電池供電，可W使 用的電量有限，此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中大量的節(jié)點(diǎn)很可能是隨機(jī)散布或是放置在環(huán)境惡 劣人類難W到達(dá)的地方或是嵌置在建筑結(jié)構(gòu)中，靠人力更換電池難度大、成本高，有限的能 量問題成為了制約該類型網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要因素。如何為傳感器節(jié)點(diǎn)更有效的補(bǔ)充電量成為 了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向之一。
[0004] 射頻充電技術(shù)是一種為傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充電量的新興技術(shù)，在該技術(shù)中，基站通過 發(fā)射射頻電波為發(fā)出充電請(qǐng)求的傳感器節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充電量。
[0005] 目前從事基于射頻技術(shù)的無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件研究的團(tuán)隊(duì)主要有Intel 實(shí)驗(yàn)室和化werCast公司。Intel實(shí)驗(yàn)室和華盛頓大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了射頻識(shí)別標(biāo)簽（Wireless IdentificationSensingPlatformWISP),該種射頻識(shí)別標(biāo)簽具有傳感能力，不使用電池， 采用接收閱讀器發(fā)射的射頻能量轉(zhuǎn)化的直流作為電能工作。而化werCast公司開發(fā)的無線 可充電傳感器套件包括射頻能量發(fā)射部分、能量接收部分、微處理器部分、傳感器部分和射 頻通信部分。能量發(fā)射部分由射頻發(fā)生電路和天線兩部分組成，持續(xù)發(fā)射915MHz中屯、頻率 的電磁波，能量接收部分通過天線接收到電磁波后將其轉(zhuǎn)換為高頻電壓脈沖，再通過倍壓 整流電路將電壓放大，將電磁福射轉(zhuǎn)換為可用的電能給傳感器節(jié)點(diǎn)供電。
[0006] 然而，對(duì)于存在兩個(gè)基站的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中如何使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)充電效果最優(yōu)的問 題仍然未能很好的解決。
[0007] 同時(shí)，由于不同基站與等待充電傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離不同，該種因距離差產(chǎn)生的 相位差會(huì)導(dǎo)致不同基站發(fā)出的射頻電波在等待充電傳感器節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生射頻電磁波干設(shè)現(xiàn) 象，從而影響到待充電節(jié)點(diǎn)的充電效率。如何很好的利用射頻干設(shè)現(xiàn)象來提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 充電效率是本發(fā)明研究的重點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對(duì)上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種存在兩個(gè)基站的射頻充電無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)中尋找使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)充電效果最優(yōu)的基站?？课恢梅椒ā?br>[0009] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種射頻充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基站的位置優(yōu)化方 法，其特征在于，包括W下步驟：
[0010] 步驟1 ;設(shè)兩個(gè)基站為ETUET2,等待充電傳感器節(jié)點(diǎn)為S1，ET1到S1的距離為rl， ET2到S1的距離為r2，射頻電波波長為A，分析在射頻充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)兩個(gè)基站 同時(shí)發(fā)射射頻能量時(shí)，在S1處存在著射頻建設(shè)性增強(qiáng)現(xiàn)象或射頻摧毀性衰減現(xiàn)象；
[0011] 步驟2 ;分析S1的充電效率n與兩基站發(fā)出電磁波在S1點(diǎn)處相位差的關(guān)系；
[0012] 步驟3 ;分析W下情況下射頻充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基站的最優(yōu)停靠位置；
[0013] 情況一：若兩個(gè)基站ET1、ET2為一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)S1充電，則；
[0014] 只需控制兩基站?？吭诰嚯xS1為kA的同屯、圓上即可；其中，A為射頻電磁波波 長，k為整數(shù)，1《k《65 ;因?yàn)?，處于同屯、圓上的兩基站與S1節(jié)點(diǎn)的距離差剛好為波長的 整數(shù)倍，分別由兩基站發(fā)出的兩列電磁波在該點(diǎn)處產(chǎn)生建設(shè)性干設(shè)，使得該點(diǎn)處接收到的 能量增強(qiáng)；
[0015] 情況二：若兩個(gè)基站ET1、ET2為兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)S1、S2充電，則；
[0016] 只需控制兩基站停靠在距離S1為kA與距離S2為kA的同屯、圓上的交點(diǎn)上即可； 因?yàn)椋幱诮稽c(diǎn)上的兩基站無論是到S1節(jié)點(diǎn)還是到S2節(jié)點(diǎn)的距離差均為波長的整數(shù)倍，分 別由兩基站發(fā)出的兩列電磁波在該兩點(diǎn)處產(chǎn)生建設(shè)性干設(shè)，使得接收能量增強(qiáng)；
[0017] 情況S;若兩個(gè)基站ETUET2為S個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3充電，則；
[001引 （1)若S1、S2、S3共線，則只需要保證ET1與ET2處于S個(gè)節(jié)點(diǎn)的同側(cè)且兩基站間 的距離差為kA，就能夠使所有傳感器節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生建設(shè)性干設(shè)，充電效果最優(yōu)；
[001引 似若S1、S2、S3不共線，設(shè)S2,S3的坐標(biāo)分別為（0,d)和（0, -d)，S1節(jié)點(diǎn)的坐 標(biāo)為（XI，yl) ;WS2,S3的連線為Y軸，W連線的垂直平分線為X軸建立平面直角坐標(biāo)系， 在X軸上尋找對(duì)稱的兩點(diǎn)A(-C，0)和B(C，0)，使得A到S1的距離與B到S1的距離之差為 k入，若該樣的兩點(diǎn)存在，兩基站分別?？吭谠搩牲c(diǎn)上，就能夠?qū)崿F(xiàn)S1，S2,S3處同時(shí)產(chǎn)生建 設(shè)性干設(shè)；因?yàn)榇藭r(shí)，ET1與ET2到S2的距離相等，故對(duì)于S2增強(qiáng)；ET1與ET2到S3的距 離相等，故對(duì)于S3增強(qiáng)；ET1到S1的距離減去ET2到S1的距離為kA，故對(duì)于S1也增強(qiáng)；
[0020] 情況四：若兩個(gè)基站ET1、ET2為N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)充電，N> 3,則；
[0021] (1)若N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)共線，則只需要保證ET1與ET2處于N個(gè)節(jié)點(diǎn)的同側(cè)且兩基 站間的距離差為kA，就能夠使所有傳感器節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生建設(shè)性干設(shè)，充電效果最優(yōu)；
[0022] (2)若N個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)不共線，首先推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)充電效率n公式，每個(gè)n值對(duì)應(yīng) 一個(gè)值e，進(jìn)而對(duì)應(yīng)一個(gè)距離區(qū)間比A-e，kA+e];若兩基站到等待充電傳感器節(jié)點(diǎn)間 距離差落入該區(qū)間內(nèi)，則該節(jié)點(diǎn)處的充電效率至少為n;在N個(gè)節(jié)點(diǎn)中任選S個(gè)節(jié)點(diǎn)，按照 上述情況S中的方式構(gòu)建平面直角坐標(biāo)系并計(jì)算出兩個(gè)移動(dòng)基站ET1和ET2的?？课恢?， 共有C非3種選擇，此時(shí)，選中的=個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)處都能實(shí)現(xiàn)建設(shè)性干設(shè)，可接收能量顯著增 強(qiáng)，又因?yàn)閷?duì)于每一種選擇，兩基站停靠位置與等待充電傳感器節(jié)點(diǎn)間的距離差為kA，k 為變量，設(shè)1^的最大值為111 ;因此N個(gè)節(jié)點(diǎn)充電問題共有C^<3><m種方案；任選其中的兩種方 案設(shè)為A，B，對(duì)于剩余的N-3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別計(jì)算節(jié)點(diǎn)到兩個(gè)基站的距離差，并進(jìn)行下列判斷：
[0023]若A方案中距離差落入比A-e，kA+e]的節(jié)點(diǎn)數(shù)目〉B方案中距離差落入 比入-e，k入+e]的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，貝IJA方案優(yōu)；
[0024] 若A方案中距離差落入比A-e，kA+e]的節(jié)點(diǎn)數(shù)目=B方案中距離差落入 比入_ ￡，k入+ ￡ ]的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，貝1J比較兩種方案中落入?yún)^(qū)間比入-￡，k入+ ￡ ]中的節(jié)點(diǎn)至。 兩個(gè)基站的距離差的絕對(duì)值對(duì)波長取余后的和值，和值小的方案優(yōu)；
[00巧]考慮所有方案之后，求得最優(yōu)解。
[0026] 作為優(yōu)選，步驟1中所述的射頻干設(shè)現(xiàn)象包括W下情況：
[0027] 當(dāng)rl=r2 =A時(shí)，此時(shí)由于兩基站到S1的距離差為0,若兩基站同步，則由此產(chǎn) 生的相位差為0,兩基站在S1處產(chǎn)生射頻建設(shè)性增強(qiáng)現(xiàn)象；
[0028] 當(dāng)rl=r2 =A/2時(shí)，此時(shí)由于兩基站到S1的距離差為A/2,若兩基站同步，現(xiàn)J 由此產(chǎn)生的相位差為n，兩基站在S1處產(chǎn)生射頻摧毀