[发明专利]电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法

摘要

电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法，其核心是一种基于地理位置信息的无线传感器网络自组网路由控制方法。利用非测距定位算法获取节点(充电桩)位置信息。基于自适应动态分簇思想构建层次型网络，针对充电场所的网络环境考虑局部节点密度和节点到Sink(基站)的距离因素，提出一种新的阈值定义方法，提高了网络的负载平衡程度，并且在一定程度上缓解了“热区”问题；为保证大规模网络的连通，引入辅助簇头节点，簇节点与Sink节点间根据信任值进行路由路径选择。最后，在有限次循环后，通过路由优化模型确定了具有区间上限性能指标约束的局部最优路由。本发明相对于有线架构具有很好的经济效益前景、可有效提高管理系统的组网能力和数据处理能力。

主权项

电动汽车充电桩集群的无线通信组网方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、确定EV充电桩集群规模及分布区域D、节点通信距离R，Sink节点位于区域边缘，EV充电桩集群的充电桩数目N，分布区域D的长度lt和宽度wt；步骤2、为保证所有充电桩入网，引入辅助簇头节点，根据传感区域大小及节点通信距离确定需要部署的辅助簇头节点的个数及位置；步骤3、节点地理位置信息的获取非测距定位算法：算法仅需要一个移动信标，假设节点的感知距离为Rs，信标节点以速率Vm从(‑Rs，‑Rs)到(lt+Rs，wt+Rs)沿直线作间隔为lI的往返运动，并以频率fB周期性地广播包含当前位置信息的数据分组；在移动的过程中，当某一待定位节点S距离信标节点Rs时，那么此时信标的位置信息即可参与节点S的定位；实际中，由于信标节点的硬件与定位时间的限制，信标节点广播分组的间隔不会是无穷小的，并且节点的无线电广播范围呈现出一定的不规则程度(DOI)，因此被认为距离待定位节点为Rs的位置实际与待定位节点的距离为Rs'，存在着一定的误差，即当(1‑DoI)Rs≤Rs'≤(1+DoI)Rs时，就认为待定位节点与信标节点距离为Rs，此刻信标节点的位置信息可以作为定位S的参考坐标之一；为提高定位精度，本发明采用节点休眠机制使待定位节点处于参与定位的三个位置组成的三角形内，然后利用极大似然法估算节点位置；定位过程中节点S共接收信标消息4次，第一次接收的位置信息为A1，此时不记录位置信息直接休眠，休眠时间为t1，假设节点S休眠t1后首次接收的位置信息为A2，记录位置信息，然后休眠t2，以此类推，记录过A4之后则不再接收信标节点的信息分组；各阶段的休眠时间为：t1=0.25RslITl+2(-Rs)log(1-rand)(lt+2Rs)fB/VmTl]]>t2=2Rs2-(Rs-3lI)2-RsDoIlt+2RsTl---(1)]]>t3=(2RslI-0.25RslI-RsDoIlI)Tl]]>式中，Tl为从区域D的一侧沿直线运动到另一侧花费的时间，rand用于生成(0，1)间的随机数；当待定位节点S(x，y)通过休眠机制接收到三个位置信息：A2(x2，y2)、A3(x3，y3)、A4(x4，y4)时有：(x2-x)2+(y2-y)2=Rs2(x3-x)2+(y3-y)2=Rs2(x4-x)2+(y4-y)2=Rs2---(2)]]>上式转化为AX＝b形式的线性方程组A=2(x2-x4)2(y2-y4)2(x3-x4)2(y3-y4)b=x22-x42+y22-y42x32-x42+y32-y42X=xy---(3)]]>使用标准的最小均方差估计法可以得到待定位节点的坐标为：X^=(ATA)-1ATb---(4)]]>步骤4、对阈值Tn的定义Tn＝2pλe(‑λ)[(‑k)log(1+kδ)]  (5)其中p是节点被选为簇头的概率，这里认为每台充电桩对应一个节点，dA→B为节点A到节点B的距离，A、B可表示各类型节点，sn表示传感节点，dmax为区域中节点到Sink节点的最远距离，k、α和λmin为特定参数；步骤5、普通节点加入簇中的过程此阶段，每个节点随机选择(0,1)中的一个值，如果选定的值小于特定阈值Tn，那么该节点将利用CSMA‑MAC协议广播ADV消息，宣布自己当选本轮簇头，普通节点根据公式(6)决定加入哪个簇，成为该簇的一个成员，并通知簇头；Si∈QCj⇔(R≥dSi→Cj)∀k≠j,Si∉QCk∀Cn∈Ui,NCn≥NCj---(6)]]>式中Si表示普通节点，QCj表示簇头为Cj的簇，Ui表示在节点Si通信范围内的簇头节点集合，NCn为以Cn为簇头的簇成员数；步骤6、自组网路由控制方法簇结构中的簇头以TDMA的方式为簇内成员节点安排发送数据的次序，簇头在必要的去冗余之后，采用CSMA/CA机制将数据沿簇间路径传送至Sink节点；簇间数据的传输采用基于信任值启发的多跳路由机制，簇间路径的选择遵循规则1：规则1.选择的下一跳是偏离源节点和目的节点之间连线最小、距离目的节点最近并与当前节点连通的节点；路由确定的具体过程如下：6.1路径选择过程从源节点Ci开始，令Ci＝CNh，CNh是下一跳节点，确定CNh的邻接簇节点集合ΓCNh，邻接簇节点是簇头节点或辅助簇头节点：是簇节点或Sink节点，且并判断Sink节点是否在中，若在，跳转至步骤6.3，否则计算CNh的信任值矩阵：KNh=[KNh,1KNh,2...KNh,|ΓCNh|]=(KNh,j)1×|ΓCNh|---(7)]]>KNh,j表示节点CNh赋予节点Cj的信任值，由关于距离的函数来度量，其计算如式(8)所示：KNh,j=lt2+wt22-(dCNh→Cj2+dCj→Sink2),Cj∈ΓCNh---(8)]]>6.2从中选择信任值最大的节点Pn，判断节点Pn是否已经在Ci到Sink的路径Pathi中，如果不在，则将Pn加入Pathi中，否则，将Pn从中删除，重复步骤6.2直到确定Pn，并令Pn＝CNh；6.3重复步骤6.1、6.2直到CNh最终搜索到Sink节点时，节点Ci的路径Pathi即被选定；6.4当源节点Ci遍历完所有的簇节点时，即确定了本次循环的初步路由，形成了一棵以Sink节点为根、簇节点为骨干的路由树；步骤7、路由优化模型建立簇结构时，虽然引入了节点密度因素对簇头节点的选择有了一定的导向性，簇头出现的位置仍然具有随机性，为防止路由树仅有一条主干，进一步对吞吐量、时延等多目标进行协调优化，本发明采用先广度搜索再深度搜索的方式确定路由；当初步路由建立后，对当前路由进行一段时间的路由评估，得到以下评估参数：①平均传输时延Dr，所统计的时延为因信道接入机制产生的时延和节点本身的处理时延；②网络吞吐量ThPr，即观察时间内Sink节点收到的总数据量；经过h次循环后，根据评估参数从路由库中确定满足集群管理系统信息传输要求的最优组网路由，并广播相应簇头；路由的确定可以简化为区间上限性能指标约束的端到端不确定过程寻优求解问题，在有限次循环内寻求最优解；满足实时性条件下的路由优化模型为：max(M(1),M(2),...,M(r),...M(h))s.t.Dr<D0---(9)]]>其中M(r)=ThPr,Dr≤DV*0,Dr>DV*---(10)]]>式中D0为充电桩集群管理系统中信息传输允许的最大时延，具体地，只有该循环的传输时延小于D0时，才有可能被确定为最终路由，为各循环的时延值按升序排序后的第V个时延值，参数V由实验经验获取，取值如式(11)所示，表示小于u的最大整数，h表循环次数。