一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法

2023-12-03 03:19:02

1.本發明涉及無線可充電傳感器網絡領域，尤其涉及一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法


背景技術：

2.無線傳感器網絡已經有數十年的發展歷程了，然而由於電池容量的限制導致傳感器的使用壽命較短，如何延長傳感器的壽命就成了一個關鍵問題。無線電力傳輸技術能夠以非接觸的方式穩定且持續地為設備補充能量，受到了學術界和工業界的廣泛關注。無線可充電傳感器網絡中，傳感器節點能夠通過無線電力傳輸技術反覆充電，保持長期工作，極大地降低了成本，在智慧城市、可穿戴設備、環境監測等領域有著廣泛的應用前景。
3.目前，已經湧現了很多關於無線可充電傳感器網絡的研究工作，例如最小化充電時延、優化充電器的放置、最小化充電器的數量等。大多數工作只是孤立地研究充電問題，僅僅關注充電本身。已經有一些學者研究了涉及感知任務的充電問題，但他們都忽略了解決目前無線可充電傳感器網絡中感知質量無法最大化網絡的感知效用的問題。


技術實現要素：

4.本部分的目的在於概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本技術的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用於限制本發明的範圍。
5.鑑於上述現有存在的問題，提出了本發明。
6.因此，本發明提供了一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法解決在充電器開啟成本的約束下，最大化網絡的感知效用的問題。
7.為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：包括：
8.獲取傳感器、充電器和興趣點集合，建立網絡模型；
9.建立充電模型；
10.根據有向傳感器的感知特點，建立感知模型；
11.形式化充電器開啟成本約束下的感知效用最大化問題；
12.調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長；
13.調用開啟調度算法，確定充電器的開啟時長。
14.作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述建立充電模型，包括以下步驟：
15.a1：傳感器si從充電器cj接收到的充電功率p(si，cj)為：
[0016][0017]
a2：充電器的開啟時長以時間片進行計算，定義充電器開啟方案為a2：充電器的開啟時長以時間片進行計算，定義充電器開啟方案為
表示cj所用時間片的數量，當開啟方案為h時，傳感器si充電後的能量為：
[0018][0019]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述傳感器si從充電器cj接收到的充電功率p(si，cj)其中α和β是與硬體以及環境有關的常數，d表示充電器的最大充電距離，||s
icj
||表示si與cj間的歐式距離。
[0020]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述傳感器si充電後的能量中τ為時間片的大小，表示si的剩餘能量，e
cap
表示傳感器的電池容量。
[0021]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述根據有向傳感器的感知點，建立感知模型，包括以下步驟：
[0022]
b1：定義為si的感知方向向量，當角度為θi時，si對興趣點ok的感知質量為：
[0023][0024]
其中wk表示興趣點的權重，a、b是跟傳感器硬體以及環境有關的常數，||siok||表示si和ok間的歐式距離，表示和間的夾角，r表示傳感器的感知半徑，a表示傳感器的感知角大小；
[0025]
b2：定義傳感器的感知方案為t＝(t1，t2，...，tm)，整個網絡在方案t下獲取興趣點ok的效用為：
[0026][0027]
其中表示si的感知方案，表示si在角度上進行感知的時長為上進行感知的時長為表示興趣點ok的效用上限，的效用上限，表示si感知ok所獲得的效用。
[0028]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述形式化充電器開啟成本約束下的感知效用最大化問題，包括以下步驟：
[0029]
設開啟方案為h，感知方案為t時，將聯合調度方案(h，t)對應的總感知效用表示為充電器開啟成本約束下的感知效用最大化問題形式化如下：
[0030][0031][0032][0033]
其中b表示時間片數量的預算，e表示傳感器感知單位時長所花費的能量，約束(5)表示分配給充電器的時間片總數不超過預算b，約束(6)表示傳感器工作的總能耗不能超過自身的能量。
[0034]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長，包括以下步驟：
[0035]
c1：假設充電器的開啟方案h是給定的，記為此時原問題形式為：
[0036][0037][0038]
c2：對於si∈s，構造興趣點覆蓋集合最優角集合最優角集合
[0039]
c3：初始化si的感知方案為
[0040]
c4：選擇使對應的感知質量之和最大，將其作為當前的感知方向，計算感知時間更新感知方案更新傳感器的剩餘能量其中表示ok的剩餘效用；
[0041]
c5：根據更新中興趣點的剩餘效用；
[0042]
c6：重複所述c4至c5，直到為o或φi為
[0043]
c7：選擇s中下一個未被訪問過的傳感器，重複所述c2至c6；
[0044]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述c2，包括以下步驟：
[0045]
c21：初始化si的最優角集合興趣點覆蓋集合角度區間集合
[0046]
c22：si逆時針旋轉，當第一個興趣點進入感知區域時，令此時的角度為逆時針旋轉，當第一個興趣點進入感知區域時，令此時的角度為並初始化x＝1；
[0047]
c23：si繼續旋轉，當有興趣點剛好進入或離開感知區域時，記錄此時方向繼續旋轉，當有興趣點剛好進入或離開感知區域時，記錄此時方向其中
[0048]
c25：更新φi、ωi、ψi：：
[0049]
c26：如果的角度大於或等於2π則終止，否則進入c23。
[0050]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述c5，包括以下步驟：
[0051]
c51：對於任意更新ok的剩餘效用：
[0052]
c52：若的值為0，檢查ωi中的每個元素若則將ok從中刪除；
[0053]
c53：若刪除ok後不為則重新計算對應最佳感知角否則刪除
[0054]
作為本發明所述的無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的一種優選方案，其中：所述調用開啟調度算法，確定充電器的開啟時長，包括以下步驟：
[0055]
d1：設調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長中的感知方案為t
′
，此時原問題形式化為：
[0056][0057][0058]
d2：初始化充電器開啟方案h＝(h1，h2，...，hn)
←
(0，0，...，0)；
[0059]
d3：每次分配一個時間片給某個充電器cj，使其帶來的邊際感知效用最大，即：j
←
arg max
j＝1，2，...，n u(h+ij，t
′
)-u(h，t
′
)，其中ij是單位向量，且第j個分量為1其它分量全部為0；
[0060]
d4：更新h、b：h＝h+ij，b＝b-1；
[0061]
d5：重複所述d3至d4，直到b為0。
[0062]
與現有技術相比，本發明的有益效果：本發明考慮了傳感器感知角度對感知質量的影響，提出了感知效用最大化問題；針對該問題設計了充電器的開啟方案和傳感器感知方案，總體近似比為所述的感知調度算法，其近似比為即在最壞情況下其性能至少為最優解的所述的開啟調度算法，近似比為所述的開啟調度算法，近似比為即在最壞情況下其性能至少為最優解的同時採取感知調度算法和開啟調度算法時，所產生的近似比為保證在充電器開啟成本的約束下，最大化網絡的感知效用。
附圖說明
[0063]
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。其中：
[0064]
圖1為本發明一個實施例所述的一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的感知方案和充電方案的流程圖；
[0065]
圖2為本發明一個實施例所述的一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的網絡模型示意圖；
[0066]
圖3為本發明一個實施例所述的一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的感知調度算法流程圖；
[0067]
圖4為本發明一個實施例所述的一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的初始化傳感器最優角集合、興趣點覆蓋集合流程圖；
[0068]
圖5為本發明一個實施例所述的一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的更新興趣點剩餘效用流程圖；
[0069]
圖6為本發明一個實施例所述的一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法的充電器調度算法流程圖。
具體實施方式
[0070]
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合說明書附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明，顯然所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明的保護的範圍。
[0071]
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便於充分理解本發明，但是本發明還可以採用其他不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
[0072]
其次，此處所稱的「一個實施例」或「實施例」是指可包含於本發明至少一個實現方式中的特定特徵、結構或特性。在本說明書中不同地方出現的「在一個實施例中」並非均指同一個實施例，也不是單獨的或選擇性的與其他實施例互相排斥的實施例。
[0073]
本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
[0074]
同時在本發明的描述中，需要說明的是，術語中的「上、下、內和外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語「第一、第二或第三」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0075]
本發明中除非另有明確的規定和限定，術語「安裝、相連、連接」應做廣義理解，例如：可以是固定連接、可拆卸連接或一體式連接；同樣可以是機械連接、電連接或直接連接，也可以通過中間媒介間接相連，也可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0076]
實施例1
[0077]
參照圖1-6，為本發明的一個實施例，提供了一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法，包括：
[0078]
設在二維平面ω上，用s＝{s1，s2，...，sm}表示可充電傳感器集合，c＝{c1，c2，...，cn}表示充電器集合，o＝{o1，o2，...，o
l
}表示興趣點集合。
[0079]
建立充電模型；
[0080]
根據有向傳感器的感知特點，建立傳感知模型；
[0081]
形式化充電器開啟成本約束下的感知效用最大化問題；
[0082]
調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長；
[0083]
調用開啟調度算法，確定充電器的開啟時長。
[0084]
建立充電模型，包括以下步驟：
[0085]
傳感器si從充電器cj接收到的充電功率p(si，cj)為：
[0086][0087]
其中α和β是與硬體以及環境有關的常數，d表示充電器的最大充電距離，||s
icj
||表示si與cj間的歐式距離。
[0088]
a2：充電器的開啟時長以時間片進行計算，定義充電器開啟方案為a2：充電器的開啟時長以時間片進行計算，定義充電器開啟方案為表示cj所用時間片的數量。
[0089]
當開啟方案為h時，傳感器si充電後的能量為：
[0090][0091]
其中，τ為時間片的大小，表示si的剩餘能量，e
cap
表示傳感器的電池容量。
[0092]
根據有向傳感器的感知特點，建立傳感知模型，包括以下步驟：
[0093]
b1：定義為si的感知方向向量，當角度為θi時，si對興趣點ok的感知質量為：
[0094][0095]
其中wk表示興趣點的權重，a、b是跟傳感器硬體以及環境有關的常數，||siok||表示si和ok間的歐式距離，表示和間的夾角，r表示傳感器的感知半徑，a表示傳感器的感知角大小；
[0096]
b2：定義傳感器的感知方案為t＝(t1，t2，...，tm)，整個網絡在方案t下獲取興趣點ok的效用為：
[0097][0098]
其中表示si的感知方案，表示si在角度上進行感知的時長為上進行感知的時長為表示興趣點ok的效用上限，的效用上限，表示si感知ok所獲得的效用。
[0099]
形式化充電器開啟成本約束下的感知效用最大化問題，包括以下步驟：設開啟方案為h，感知方案為t時，將聯合調度方案(h，t)對應的總感知效用表示為充電器開啟成本約束下的感知效用最大化問題形式化如下：
[0100][0101][0102]
[0103]
其中b表示時間片數量的預算，e表示傳感器感知單位時長所花費的能量，約束(5)表示分配給充電器的時間片總數不超過預算b，約束(6)表示傳感器工作的總能耗不能超過自身的能量。
[0104]
調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長，流程如圖3所示，包括以下步驟：
[0105]
c1：假設充電器的開啟方案h是給定的，記為此時原問題形式為：
[0106][0107][0107][0108]
c3：初始化si的感知方案為
[0109]
c4：選擇使對應的感知質量之和最大，將其作為當前的感知方向，計算感知時間更新感知方案更新傳感器的剩餘能量其中表示ok的剩餘效用；
[0110]
c5：根據更新中興趣點的剩餘效用；
[0111]
c6：重複c4至c5，直到為0或φi為
[0112]
c7：選擇s中下一個未被訪問過的傳感器，重複c2至c6；
[0113]
進一步的，c2，包括以下步驟：
[0114]
c21：初始化si的最優角集合興趣點覆蓋集合角度區間集合
[0115]
c22：si逆時針旋轉，當第一個興趣點進入感知區域時，令此時的角度為逆時針旋轉，當第一個興趣點進入感知區域時，令此時的角度為並初始化x＝1；
[0116]
c23：si繼續旋轉，當有興趣點剛好進入或離開感知區域時，記錄此時方向繼續旋轉，當有興趣點剛好進入或離開感知區域時，記錄此時方向其中
[0117]
c25：更新φi、ωi、ψi：：
[0118]
c26：如果的角度大於或等於2π則終止，否則進入c23；
[0119]
進一步的，c5包括以下步驟：
[0120]
c51：對於任意更新ok的剩餘效用：
[0121]
c52：若的值為0，檢查ωi中的每個元素若則將ok從中刪除；
[0122]
c53：若刪除ok後不為則重新計算對應最佳感知角否則刪除否則刪除
[0123]
進一步地，調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長，其近似比為即在最壞情況下其性能至少為最優解的
[0124]
當感知方案、開啟方案均已知時，將感知ok獲得的效用表示為：則x獲得的總感知效用為：接下來我們假設已知開啟方案為設感知調度算法產生的感知方案為t
′
，當採取方案t
′
時，將傳感器集合表示為：s
′
＝{s
′1，s
′2，...，s
′m}，對應的感知效用為設最優策略為t
*
，採取方案t
*
時，將傳感器集合表示為：對應的最優感知效用為注意，si和表示同一個傳感器，唯一的區別在於採用的感知策略不同，s
′i使用方案t
′i，使用方案
[0125]
可以得出不等式：u(s
*
)≤u(s
′
∪s
*
)≤2u(s
′
)，因此)，因此
[0126]
調用開啟調度算法，確定充電器的開啟時長，流程如圖6所示，包括以下步驟：
[0127]
d1：設調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長中的感知方案為t
′
，此時原問題形式化為：
[0128][0129][0130]
d2：初始化充電器開啟方案h＝(h1，h2，...，hn)
←
(0，0，...，0)；
[0131]
d3：每次分配一個時間片給某個充電器cj，使其帶來的邊際感知效用最大，即：j
←
arg max
j＝1，2，...，n u(h+ij，t
′
)-u(h，t
′
)，其中ij是單位向量，且第j個分量為1其它分量全部為0；
[0132]
d4：更新h、b：h＝h+ij，b＝b-1；
[0133]
d5：重複d3至d4，直到b為0。
[0134]
調用開啟調度算法，確定充電器的開啟時長，近似比為即在最壞情況下其性能至少為最優解的
[0135]
設感知調度方案採取感知調度算法的輸出t
′
，此時，目標函數可表示為
原問題可重新形式化為：
[0136]
max u(h，t
′
)
[0137][0138]
z1∪z2∪...∪zn，可將充電器的開啟方案表示成y的形式，y與h間的轉換為：
[0139]h→
y：
[0140]y→
h：h＝{|y∩z1|，...，|y∩zn|}。
[0141]
對於目標函數，同樣可用y替換h：
[0142][0143]
為簡化符號表示，令此時問題等價表示為：
[0144][0145][0146]
上述問題是一個基於基約束的單調子模函數最大化問題，針對該問題的解決方案是每次分配一個時間片給某個充電器，使其帶來的邊際感知效用最大，可以證明這種基於貪心的選擇策略可獲取的近似比。
[0147]
同時採取感知調度算法和開啟調度算法時，所產生的近似比為
[0148]
設調用感知調度算法，調用開啟調度算法，對應的解為《h
′
，t
′
》，原問題的最優解為《h
*
，t
*
》，當已知充電器的開啟策略為h
′
時，設最優感知方案為此時：
[0149][0150]
當已知傳感器的感知策略為t
*
時，設對應的最優開啟方案為此時
[0151][0152]
由於所以
[0153][0154]
又因為所以
[0155][0156]
聯立
③④
，可得
[0157]
因此本發明總體的近似比為
[0158]
實施例2
[0159]
參照表1，為本發明的一個實施例，提供了一種無線可充電傳感器網絡中感知質量驅動的協同調度方法，為了驗證其有益效果，提供了兩種方案的對比結果。
[0160]
在二維平面ω上，用s＝{s1，s2，s3，s4}表示可充電傳感器集合，c＝{c1，c2，c3}表示充電器集合，o＝{o1，o2，o3，o4，o5，o6}表示興趣點集合。
[0161]
表1實體坐標
[0162]
實體坐標s1(0，10)s2(20，0)s3(20，15)s4(20，25)c1(10，10)c2(20，10)c3(20，20)o1(5，10)o2(5，10)o3(15，0)o4(15，-5)o5(25，0)o6(30，15)
[0163]
充電相關參數設置為：α＝50，β＝10，d＝10，τ＝10，e
cap
＝15，b＝4，感知相關參數設置為：a＝15，b＝5，r＝10，a＝π/2，e＝1，w1＝1，w2＝2，w3＝4，w4＝4，w5＝w6＝1，
[0164]
c1：假設充電器的開啟方案h是給定的，記為此時原問題形式化為：
[0165][0166][0167]
c2：選擇s1，構造興趣點覆蓋集合ω1，最優角集合φ1：
[0168]
c21：初始化s1的最優角集合興趣點覆蓋集合角度區間集合
[0169]
c22：s1逆時針旋轉，當o1進入感知區域時，令此時的角度為並初始化x＝1；
[0170]
c23：s1繼續旋轉，當o1剛好離開感知區域時，記錄此時方向向量的角度
以及o1離開前感知區域內的興趣點集合
[0171]
c24：計算興趣點覆蓋情況為時的最佳感知角：
[0172]
c25：更新φ1、ω1、ψ1：ω1＝{{o1，o2}}，x＝2；c26：繼續旋轉，直到時終止操作。
[0173]
因此，ω1＝{{o1，o2}}，
[0174]
c3：初始化s1的感知方案為
[0175]
c4：選擇作為s1當前的感知方向，計算感知時間min{1，min{1，2}}＝1，更新感知方案更新傳感器的剩餘能量
[0176]
c5：根據更新中興趣點的剩餘效用，包括以下步驟：
[0177]
c51：對於o1，更新o1的剩餘效用：
[0178]
c52：的值為0，檢查ω1中的每個元素若則將o1從中刪除；
[0179]
c53：刪除o1後不為則重新計算對應最佳感知角
[0180]
對於o2同樣採用c51至c53中的步驟處理：
[0181]
c6：由於跳轉到c7；
[0182]
c7：選擇s中下一個未被訪問過的傳感器，重複c2至c6；
[0183][0183][0184]
d1：設調用感知調度算法，確定傳感器的感知角度和感知時長中的感知方案為t
′
，此時原問題形式化為：
[0185][0186][0187]
d2：初始化充電器開啟方案h＝(h1，h2，h3)
←
(0，0，0)；
[0188]
d3：每次分配一個時間片給某個充電器cj，使其帶來的邊際感知效用最大：
[0189]
對於第1個時間片，若分配給c1邊際效用為0.3，若分配給c2邊際效用為1.097，若分配給c3邊際效用為0.149，顯然第1個時間片會分配給c2，其中計算邊際效用需調用感知調度算法；
[0190]
d4：更新h、b：h＝(0，1，0)，b＝3；
[0191]
d5：重複d3至d4，直到b為o。
[0192]
類似地，第2個時間片分配給c2，第3個時間片分配給c2，第4個時間片分配給c1，最
終，充電器的開啟方案為(1，3，0)，傳感器的感知方案為終，充電器的開啟方案為(1，3，0)，傳感器的感知方案為對應的總感知效用為：4.609。
[0193]
應說明的是，以上實施例僅用於說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。