一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法

摘要

本发明公开了一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，本发明结合两射频基站发射的射频电波在同一传感器节点处产生干涉现象这一特点，通过对同一等待充电传感器节点处两列电波的叠加分析，得出两射频基站的位置差与等待充电传感器节点充电效率的关系，进而计算出使整个网络充电效果最优的两基站位置。这一发明应用到射频充电无线传感器网络中，可以大幅度地提高等待充电节点的充电效率，从而延长整个无线传感器网络的寿命，同时减少整个系统的宕机时间。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络、射频充电技术、射频干涉等技术领域，涉及一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，尤其涉及存在两个基站的射频充电无线传感器网络中使整个网络充电效果最优的基站停靠位置方法。

背景技术

无线传感器网络主要由传感器节点组成，传感器节点具有信号感知、计算存储、无线通信等功能。传感器节点被部署在需要进行监测的区域，这种部署通常是通过飞行器散播、人工埋置等方式完成的。节点通过自组织形式构成网络，并通过多跳路由方式将监测的数据传输至管理中心。用户可以通过访问管理中心的服务器来浏览、查询、搜索相关监控数据。

无线传感器网络应用广泛，主要包括环境检测、工业及基础设施监控、智能家居、医药系统以及军事等诸多领域。传感器网络中节点数量众多，且一般采用电池供电，可以使用的电量有限，此外，无线传感器网络中大量的节点很可能是随机散布或是放置在环境恶劣人类难以到达的地方或是嵌置在建筑结构中，靠人力更换电池难度大、成本高，有限的能量问题成为了制约该类型网络发展的重要因素。如何为传感器节点更有效的补充电量成为了无线传感器网络的重要研究方向之一。

射频充电技术是一种为传感器节点补充电量的新兴技术，在该技术中，基站通过发射射频电波为发出充电请求的传感器节点补充电量。

目前从事基于射频技术的无线可充电传感器网络硬件研究的团队主要有Intel实验室和PowerCast公司。Intel实验室和华盛顿大学联合开发了射频识别标签(Wireless Identification Sensing Platform WISP)，这种射频识別标签具有传感能力，不使用电池，采用接收阅读器发射的射频能量转化的直流作为电能工作。而PowerCast公司开发的无线可充电传感器套件包括射频能量发射部分、能量接收部分、微处理器部分、传感器部分和射频通信部分。能量发射部分由射频发生电路和天线两部分组成，持续发射915MHz中心频率的电磁波，能量接收部分通过天线接收到电磁波后将其转换为高频电压脉冲，再通过倍压整流电路将电压放大，将电磁福射转换为可用的电能给传感器节点供电。

然而，对于存在两个基站的无线传感器网络中如何使整个网络充电效果最优的问题仍然未能很好的解决。

同时，由于不同基站与等待充电传感器节点间的距离不同，这种因距离差产生的相位差会导致不同基站发出的射频电波在等待充电传感器节点处产生射频电磁波干涉现象，从而影响到待充电节点的充电效率。如何很好的利用射频干涉现象来提高整个网络的充电效率是本发明研究的重点。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提出了一种存在两个基站的射频充电无线传感器网络中寻找使整个网络传感器节点充电效果最优的基站停靠位置方法。

本发明所采用的技术方案是：一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设两个基站为ET1、ET2，等待充电传感器节点为S1，ET1到S1的距离为r1，ET2到S1的距离为r2，射频电波波长为λ，分析在射频充电无线传感器网络中，当两个基站同时发射射频能量时，在S1处存在着射频建设性增强现象或射频摧毁性衰减现象；

步骤2：分析S1的充电效率η与两基站发出电磁波在S1点处相位差的关系；

步骤3：分析以下情况下射频充电无线传感器网络中基站的最优停靠位置；

情况一：若两个基站ET1、ET2为一个传感器节点S1充电，则：

只需控制两基站停靠在距离S1为kλ的同心圆上即可；其中，λ为射频电磁波波长，k为整数，1≤k≤65；因为，处于同心圆上的两基站与S1节点的距离差刚好为波长的整数倍，分别由两基站发出的两列电磁波在该点处产生建设性干涉，使得该点处接收到的能量增强；

情况二：若两个基站ET1、ET2为两个传感器节点S1、S2充电，则：

只需控制两基站停靠在距离S1为kλ与距离S2为kλ的同心圆上的交点上即可；因为，处于交点上的两基站无论是到S1节点还是到S2节点的距离差均为波长的整数倍，分别由两基站发出的两列电磁波在这两点处产生建设性干涉，使得接收能量增强；

情况三：若两个基站ET1、ET2为三个传感器节点S1、S2、S3充电，则：

(1)若S1、S2、S3共线，则只需要保证ET1与ET2处于三个节点的同侧且两基站间的距离差为kλ，就能够使所有传感器节点处产生建设性干涉，充电效果最优；

(2)若S1、S2、S3不共线，设S2，S3的坐标分别为(0，d)和(0，-d)，S1节点的坐标为(x1,y1)；以S2，S3的连线为Y轴，以连线的垂直平分线为X轴建立平面直角坐标系，在X轴上寻找对称的两点A(-c，0)和B(c，0)，使得A到S1的距离与B到S1的距离之差为kλ，若这样的两点存在，两基站分别停靠在这两点上，就能够实现S1，S2，S3处同时产生建设性干涉；因为此时，ET1与ET2到S2的距离相等，故对于S2增强；ET1与ET2到S3的距离相等，故对于S3增强；ET1到S1的距离减去ET2到S1的距离为kλ，故对于S1也增强；

情况四：若两个基站ET1、ET2为N个传感器节点充电，N＞3，则：

(1)若N个传感器节点共线，则只需要保证ET1与ET2处于N个节点的同侧且两基站间的距离差为kλ，就能够使所有传感器节点处产生建设性干涉，充电效果最优；

(2)若N个传感器节点不共线，首先推导出节点充电效率η公式，每个η值对应一个值ε，进而对应一个距离区间[kλ-ε,kλ+ε]；若两基站到等待充电传感器节点间距离差落入该区间内，则该节点处的充电效率至少为η；在N个节点中任选三个节点，按照上述情况三中的方式构建平面直角坐标系并计算出两个移动基站ET1和ET2的停靠位置，共有种选择，此时，选中的三个传感器节点处都能实现建设性干涉，可接收能量显著增强，又因为对于每一种选择，两基站停靠位置与等待充电传感器节点间的距离差为kλ，k为变量，设k的最大值为m；因此N个节点充电问题共有种方案；任选其中的两种方案设为A，B，对于剩余的N-3个节点，分别计算节点到两个基站的距离差，并进行下列判断：

若A方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目>B方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目，则A方案优；

若A方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目＝B方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目，则比较两种方案中落入区间[kλ-ε,kλ+ε]中的节点到两个基站的距离差的绝对值对波长取余后的和值，和值小的方案优；

考虑所有方案之后，求得最优解。

作为优选，步骤1中所述的射频干涉现象包括以下情况：

当r1＝r2＝λ时，此时由于两基站到S1的距离差为0，若两基站同步，则由此产生的相位差为0，两基站在S1处产生射频建设性增强现象；

当r1＝r2＝λ/2时，此时由于两基站到S1的距离差为λ/2，若两基站同步，则由此产生的相位差为π，两基站在S1处产生射频摧毁性衰减现象。

作为优选，步骤2的具体实现过程为：两设两基站ET1和ET2发出的两列波在S1点处的相位差处于[-π，π]，Δr为两距离差的绝对值，即：Δr＝|r₁-r₂|。取ε为距离差对波长取余值，即：ε＝Δr％λ(λ为射频电磁波波长)，如果ε>λ/2，ε＝λ-ε。由于相位差与距离差存在线性关系，为ε时的相位差，因此：

设ET1，ET2发射出的射频电磁波的振动方程分别为：

y1＝A1cos(wt)；

y2＝A2cos(wt)；

则两列波在S1点处的和振幅为A：

其中A1为ET1发射出电磁波的振幅、A2为ET2发射出电磁波的振幅，w为振动频率，t为时间；

由于波的强度正比于波振幅的平方，而所以两列波叠加后的强度为：

式中I为叠加后的强度，I1为振幅为A1时的强度，I2为振幅为A2时的长度；当I1＝I2时：

当时，I＝4I1，S1点处产生建设性干涉；

当不为0时，设S1处充电效率η，则：

由得知：进而得出充电效率η与两基站到S1距离差的绝对值对波长取余值ε的关系：

$>ϵ=\frac{\lambda \arccos (2\eta -1)}{2\pi };$>

当η＝0.95时，ε＝0.0718λ；

当η＝0.90时，ε＝0.1025λ；

当η＝0.85时，ε＝0.1267λ；

当η＝0.80时，ε＝0.1477λ。

作为优选，步骤3中所述的两个基站ET1、ET2为三个不共线传感器节点S1、S2、S3充电，在X轴上寻找对称的两点A(-c，0)和B(c，0)，两移动基站分别停靠在这两点上，使得ET1到S1间的距离与ET2到S1间的距离差为kλ；其具体计算过程为：

$>\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}-\sqrt{{(x1-c)}^2+{y1}^2}=\mathrm{k\lambda }$>  ①；

$>\frac{4\mathrm{cx}1}{\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}+\sqrt{{(x1-c)}^2+y{1}^2}}=\mathrm{k\lambda }$>  ②；

由②式得：

$>\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}+\sqrt{{(x1-c)}^2+{y1}^2}=\frac{4x1}{\mathrm{k\lambda }}c$>  ③；

①+③得：

$>2\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}=\mathrm{k\lambda }+\frac{4x1}{\mathrm{k\lambda }}c;$>

$>4({x1}^2+2\mathrm{cx}1+c^2+y{1}^2)=k^2{\lambda }^2+8x1c+\frac{16{x1}^2}{k^2{\lambda }^2}{c}^2;$>

$>c^2(\frac{16{x1}^2}{k^2{\lambda }^2}-4)=4{x1}^2+4{y1}^2-k^2{\lambda }^2;$>

$>\frac{{4c}^2(4x{1}^2-k^2{\lambda }^2)}{k^2{\lambda }^2}=4{x1}^2+4{y1}^2-k^2{\lambda }^2;$>

欲使上述方程有解，则需满足4x₁²–k²λ²>0；

若4x₁²–k²λ²<＝0时，即(-|kλ|/2)<x₁<(|kλ|/2)，此时∠S2S1S3为大钝角，∠S1S2S3为小锐角，∠S1S3S2为小锐角；这种情形下基站最优停靠位置如下：

设S1点在Y轴的投影为T点，令ET1与ET2分布在T点两侧且ET1与T点、ET2与T点之间的距离均为kλ/2。

本发明结合两射频基站发射的射频电波在同一传感器节点处产生干涉现象这一特点，通过对同一待充电传感器节点处两列电波的叠加分析，得出两射频基站的位置差与待充电传感器节点充电效率的关系，进而计算出使整个网络充电效果最优的两基站位置。这一发明应用到射频充电无线传感器网络中，可以大幅度地提高待充电节点的充电效率，从而延长整个无线传感器网络的寿命，同时减少整个系统的宕机时间。

附图说明

图1：是本发明实施例中带有基站的无线传感器网络结构示意图；

图2：是本发明实施例中两基站对一个节点充电情形示意图；

图3：是本发明实施例中两基站对两个节点充电情形示意图；

图4：是本发明实施例中三个传感器节点共线情形示意图；

图5：是本发明实施例中三个传感器节点不共线且4x₁²–k²λ²>0情形示意图；

图6：是本发明实施例中三个传感器节点不共线且4x₁²–k²λ²<＝0情形示意图；

具体实施

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种射频充电无线传感器网络中基站的位置优化方法，包括以下步骤：

步骤1：设两个基站为ET1、ET2，等待充电传感器节点为S1，ET1到S1的距离为r1，ET2到S1的距离为r2，射频电波波长为λ，分析在射频充电无线传感器网络中，当两个基站同时发射射频能量时，在S1处存在的射频干涉现象；

如图1所示，ET1，ET2到S1的距离分别为λ，恰好是一个波长的长度，此时由于两基站到S1的距离差为0，由此产生的相位差为0(两基站同步)，两基站在待充电传感器节点处产生射频建设性增强现象。

ET1到S1的距离为λ，恰好是一个波长的长度；ET3到S1的距离为λ/2，半个波长的长度，此时由于两基站到S1的距离差为λ/2，由此产生的相位差为π(两基站同步)，两基站在待充电传感器节点处产生摧毁性衰减现象。

本发明就是基于如何更好的利用建设性干涉、避免摧毁性干涉从而使整个网络的充电效率最优为出发点考虑的。

步骤2：分析S1的充电效率η与两基站相位差的关系；

设两基站ET1和ET2发出的两列波在S1点处的相位差处于[-π，π]，Δr为两距离差的绝对值，即：Δr＝|r₁-r₂|。取ε为距离差对波长取余值，即：ε＝Δr％λ(λ为射频电磁波波长)，如果ε>λ/2，ε＝λ-ε。由于相位差与距离差存在线性关系，为ε时的相位差，因此：

设ET1，ET2发射出的射频电磁波的振动方程分别为：

y1＝A1cos(wt)；

y2＝A2cos(wt)；

则两列波在S1点处的和振幅为A：

其中A1为ET1发射出电磁波的振幅、A2为ET2发射出电磁波的振幅，w为振动频率，t为时间。

由于波的强度正比于波振幅的平方，而所以两列波叠加后的强度为：

式中I为叠加后的强度，I1为振幅为A1时的强度，I2为振幅为A2时的长度；当I1＝I2时：

当时，I＝4I1；S1点处产生建设性干涉；

当不为0时，设S1处充电效率η，则：

由得知：进而得出充电效率η与两基站到S1距离差的绝对值对波长取余值ε的关系：

$>ϵ=\frac{\lambda \arccos (2\eta -1)}{2\pi };$>

当η＝0.95时，ε＝0.0718λ；

当η＝0.90时，ε＝0.1025λ；

当η＝0.85时，ε＝0.1267λ；

当η＝0.80时，ε＝0.1477λ。

步骤3：分析以下情况下射频充电无线传感器网络中基站的最优停靠位置；

情况一：若两个基站ET1、ET2为一个传感器节点S1充电，则：

请见图2，只需控制两基站停靠在距离S1为kλ(λ为射频电磁波波长，k为整数)的同心圆上即可。因为，处于同心圆上的两基站与S1节点的距离差刚好为波长的整数倍，分别由两基站发出的两列电磁波在该点处产生建设性干涉，使得该点处接收到的能量增强。

情况二：若两个基站ET1、ET2为两个传感器节点S1，S2充电，则：

请见图3，只需控制两基站停靠在距离S1为kλ(λ为射频电磁波波长，k为整数)与距离S2为kλ的同心圆上的交点上即可。因为，处于交点上的两基站无论是到S1节点还是到S2节点的距离差均为波长的整数倍，分别由两基站发出的两列电磁波在这两点处产生建设性干涉，使得接收能量增强。

情况三：若两个基站ET1、ET2为三个传感器节点S1、S2、S3充电，则：

(1)请见图4，若S1、S2、S3共线，则只需要保证ET1与ET2处于三个节点的同侧且两基站间的距离差为kλ，就能够使所有三个节点处都产生建设性干涉，节点充电效果最优。

(2)请见图5，若S1、S2、S3不共线，设S2，S3的坐标分别为(0，d)和(0，-d)，S1节点的坐标为(x1,y1)；以S2，S3的连线为Y轴，以连线的垂直平分线为X轴建立平面直角坐标系，在X轴上寻找对称的两点A(-c，0)和B(c，0)，两移动基站分别停靠在这两点上，使得A(ET1)到S1间的距离与B(ET2)到S1间的距离差为kλ。由于ET1与ET2到S2的距离相等，故对于S2增强，ET1与ET2到S3的距离相等，故对于S3增强；ET1到S1的距离减去ET2到S1的距离为kλ，故对于S1也增强；

A，B两点的具体计算过程为：

$>\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}-\sqrt{{(x1-c)}^2+{y1}^2}=\mathrm{k\lambda }$>  ①

$>\frac{4\mathrm{cx}1}{\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}+\sqrt{{(x1-c)}^2+y{1}^2}}=\mathrm{k\lambda }$>  ②

由②式得：

$>\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}+\sqrt{{(x1-c)}^2+{y1}^2}=\frac{4x1}{\mathrm{k\lambda }}c$>  ③

①+③得：

$>2\sqrt{{(x1+c)}^2+{y1}^2}=\mathrm{k\lambda }+\frac{4x1}{\mathrm{k\lambda }}c;$>

$>4({x1}^2+2\mathrm{cx}1+c^2+y{1}^2)=k^2{\lambda }^2+8x1c+\frac{16{x1}^2}{k^2{\lambda }^2}{c}^2;$>

$>c^2(\frac{16{x1}^2}{k^2{\lambda }^2}-4)=4{x1}^2+4{y1}^2-k^2{\lambda }^2;$>

$>\frac{{4c}^2(4x{1}^2-k^2{\lambda }^2)}{k^2{\lambda }^2}=4{x1}^2+4{y1}^2-k^2{\lambda }^2;$>

欲使上述方程有解，则需满足4x₁²–k²λ²>0，因为波长是分米级，因而上述条件很容易满足。

请见图6，若4x₁²–k²λ²<＝0时，即(-|kλ|/2)<x₁<(|kλ|/2)，此时∠S2S1S3为大钝角，∠S1S2S3为小锐角，∠S1S3S2为小锐角，该情形下的基站停靠位置求解如下：

设S1点在Y轴的投影为T点，令ET1与ET2分布在T点两侧，ET1与T点、ET2与T点之间的距离均为kλ/2。此时，ET1与S1之间的距离等于ET2与S1之间的距离，S1点处产生建设性干涉，能量增强；对于S2，ET2到S2之间的距离与ET1到S2之间的距离差为kλ，产生建设性干涉；对于S3，ET1到S3之间的距离与ET2到S3之间的距离差为kλ，产生建设性干涉。

情况四：若两个基站ET1、ET2为N个传感器节点充电，N＞3，则：

(1)若N个传感器节点共线，则只需要保证ET1与ET2处于三个节点的同侧且两基站间的距离差为kλ(k为整数，λ为射频电磁波波长)，就能够使所有传感器节点充电效果最优。

(2)若N个传感器节点不共线，首先推导出节点充电效率η公式，每个η值对应一个值ε，进而对应一个距离区间[kλ-ε,kλ+ε]。若两基站到等待充电传感器节点间距离差落入该区间内，则该节点处的充电效率至少为η。在N个节点中任选三个节点，按照上述情况三中的方式构建平面直角坐标系并计算出两个移动基站ET1和ET2的停靠位置，共有种选择，此时，选中的三个传感器节点处都能实现建设性干涉，可接收能量显著增强，又因为对于每一种选择，两基站停靠位置与等待充电传感器节点间的距离差为kλ，k为变量，设k的最大值为m。因此N个节点充电问题共有种方案。任选其中的两种方案设为A，B，对于剩余的N-3个节点，分别计算节点到两个基站的距离差，并进行下列判断：

若A方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目>B方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目，则A方案优；

若A方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目＝B方案中距离差落入[kλ-ε,kλ+ε]的节点数目，则比较两种方案中落入区间[kλ-ε,kλ+ε]中的节点到两个基站的距离差的绝对值对波长取余后的和值，和值小的方案优；

考虑所有方案之后，求得最优解。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。