[发明专利]基于串行干扰消除的无线传感网络充电策略跨层优化方法

摘要

本发明公开了一种基于串行干扰消除的无线传感器网络充电策略的跨层优化方法，包括：对网络中的节点进行分簇，在数据链路层采用时间片调度机制，再结合网络中通信信道容量和物理层的约束，通过对具有串行干扰消除功能的基站的接收信号进行控制，实现同一簇内节点并发通信；采用无线能量传输技术，对传感器节点进行周期性的能量补给，通过分析节点和无线充电设备WCE的工作模式，建立以最大化WCE驻站时间比的跨层优化问题，并将其转化为等价线性规划模型求解得到传感器节点的功率控制策略和WCE的周期性工作策略。本发明能在延长网络生命周期的同时，有效地提高传感器网络的网络吞吐量，增大信道利用率，从而提高传感器网络的通信能力。

主权项

1.一种基于串行干扰消除SIC的无线传感器网络充电策略的跨层优化方法，所述无线传感器网络中包括：N个传感器节点、维护站、无线充电设备WCE和基站B；其特征是，所述跨层优化方法包括以下步骤：步骤1、构建无线传感器网络并设置相关参数，提出传感器节点并发通信的功率控制方法；步骤1.1、将无线传感器网络中所有的传感器节点随机划分成k簇；在任意一个簇中，假设第i个传感器节点以采集速率fi产生数据，并以传输速率Ri的向基站B发送数据，则利用式(1)得到第i个传感器节点的能耗率Pi：Pi＝Ci·Ri       (1)式(1)中，Ci是第i个传感器节点的功率因子；利用式(2)得到第i个传感器节点的信干噪比SINRi：式(2)中，gi表示第i个传感器节点向基站B发送数据时的功率衰减，giPi表示基站B对第i个传感器节点所发送数据的接收功率，N0表示噪声功率，β是信干噪比阈值，i≠j；i,j∈N；步骤1.2、如果第i个传感器节点成功发送数据，则利用式(3)得到第i个传感器节点的传输速率Ri的约束条件：Ri≤Wlog2(1+β)≤Wlog2(1+SINRi)      (3)式(3)中，W表示信道带宽，Wlog2(1+SINRi)表示第i个传感器节点的信道容量，Wlog2(1+SINRi)表示第i个传感器节点所发送的数据在传输过程中的最大信道容量；步骤1.3、假设同时向基站B发送数据的各传感器节点的接收功率满足：g1P1≤g2P2≤g3P3≤…≤gnPn，则利用式(4)得到不同传感器节点的功率在串行干扰消除SIC条件下的关系式：步骤1.4、利用式(5)得到k个簇的时间片：式(5)中，tk表示第k簇的时间片，Nk是第k簇中所有传感器节点的集合；步骤2、利用式(6)得到一个充电周期τ：式(6)中，τvac表示所述无线充电设备WCE驻留维护站的时长，τp表示所述无线充电设备WCE在网络中移动的时长，τi表示第i个传感器节点的充电时长；步骤3、在电池采用完全充满方式下，分析传感器节点和所述无线充电设备WCE的周期性工作模式并得到相关约束；步骤3.1、利用式(7)得到第k簇中第i个传感器节点的周期相对功率式(7)中，Pi(k)表示在第k簇中第i个传感器节点的实际功率；tm表示第m簇的时间片，m∈k；利用式(8)得到第i个传感器节点消耗的能量和所述无线充电设备WCE对其相应补给的能量之间的约束条件：式(8)中，U表示所述无线充电设备WCE的充电功率；步骤3.2、在充电周期τ中，利用式(9)得到第i个传感器节点的能量约束条件：Emin≤ei(ai)≤ei(t)≤ei(ai+τi)≤Emax     (9)式(9)中，ai表示所述无线充电设备WCE到达时第i个传感器节点的时刻，ei(ai)表示所述无线充电设备WCE到达时第i个传感器节点时，第i个传感器节点的剩余能量，ei(ai+τi)表示所述无线充电设备WCE完成充电任务离开第i个传感器节点时，第i个传感器节点剩余能量；Emin和Emax表示所有传感器节点在正常工作下的最小能量和最大能量；步骤3.3、利用式(10)得到第i个传感器节点在当前充电周期中开始充电时的剩余能量ei(ai)：利用式(11)得到第i个传感器节点在下一个充电周期2τ开始时的剩余能量ei(2τ)：步骤4、利用变量替换法得到线性规划模型的约束条件；步骤4.1、利用式(12)分别得到所述无线充电设备WCE的驻站时间比ηvac、所述无线充电设备WCE的非充电时间比η0和所述无线充电设备WCE对第i个传感器节点的充电时间比ηi：式(12)中，τ0表示所述无线充电设备WCE的非充电时间，且τ0＝τp+τvac；步骤4.2、令所述无线充电设备WCE遍历N个传感器节点的最短路径为哈密尔顿回路，利用式(13)得到无线传感器网络充电规划模型的约束条件：式(13)中，τ_TSP表示所述无线充电设备WCE遍历哈密尔顿回路的时间，且D_tsp表示哈密尔顿回路的路径长度，V表示所述无线充电设备WCE的遍历速度；步骤5、根据所述无线传感器网络充电规划模型的约束条件，利用线性规划方法在多项式时间内对目标函数maxη_vac进行求解，得到最优解并由最优解所对应的和作为所述无线传感器网络中所述无线充电设备WCE对任意一个传感器节点的充电策略的跨层优化方案。