電動汽車充電樁集群的無線通信組網(wǎng)方法
【專利摘要】電動汽車充電樁集群的無線通信組網(wǎng)方法，其核心是一種基于地理位置信息的無線傳感器網(wǎng)絡自組網(wǎng)路由控制方法。利用非測距定位算法獲取節(jié)點(充電樁)位置信息?；谧赃m應動態(tài)分簇思想構(gòu)建層次型網(wǎng)絡，針對充電場所的網(wǎng)絡環(huán)境考慮局部節(jié)點密度和節(jié)點到Sink(基站)的距離因素，提出一種新的閾值定義方法，提高了網(wǎng)絡的負載平衡程度，并且在一定程度上緩解了“熱區(qū)”問題；為保證大規(guī)模網(wǎng)絡的連通，引入輔助簇頭節(jié)點，簇節(jié)點與Sink節(jié)點間根據(jù)信任值進行路由路徑選擇。最后，在有限次循環(huán)后，通過路由優(yōu)化模型確定了具有區(qū)間上限性能指標約束的局部最優(yōu)路由。本發(fā)明相對于有線架構(gòu)具有很好的經(jīng)濟效益前景、可有效提高管理系統(tǒng)的組網(wǎng)能力和數(shù)據(jù)處理能力。
【專利說明】電動汽車充電粧集群的無線通信組網(wǎng)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于地理位置信息的電動汽車充電樁集群無線通信組網(wǎng)方法，其 核心是一種專用無線傳感器網(wǎng)絡（WSN)自組網(wǎng)路由控制方法，用于滿足電動汽車充電樁集 群管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求，屬于無線通信【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】：
[0002] 如何解決電動汽車（EV)的能源供給問題是電動汽車快速普及面臨的關(guān)鍵問題之 一。目前，電動汽車的能源供給主要由充電樁充電提供。電動汽車充電樁在提供安全、高效 的充電服務的基礎(chǔ)上，需要通過先進的技術(shù)手段對同一區(qū)域多個充電樁進行集中監(jiān)視和統(tǒng) 一經(jīng)營管理，提供完善的集群管理系統(tǒng)，以推動電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
[0003] 電動汽車充電樁集群中存在充電機、配電設(shè)備以及保護測控裝置等多種監(jiān)控設(shè) 備，集群管理系統(tǒng)是聯(lián)系電動汽車和集群管理中心、電力調(diào)度中心的信息匯集點，需要對參 數(shù)配置、監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)及充電過程實時信息等進行集成、分析，信息量大，對通信的可靠性 和實時性要求高，故高效的信息交互是系統(tǒng)合理運行的關(guān)鍵因素。相對于傳統(tǒng)有線通信方 式，基于無線傳感器網(wǎng)絡的集群管理系統(tǒng)通信組網(wǎng)方式以其特有的快速自組織能力和優(yōu)越 的擴展性、自適應性，方便實現(xiàn)靈活高效、快捷安全的充電服務，是電動汽車充電樁集群管 理系統(tǒng)的理想通信方式。
[0004] 然而，傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡路由控制方法不適于無能量約束的網(wǎng)絡環(huán)境，此時 網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)不再是盡可能減小能耗和延長網(wǎng)絡生存時間，而在于最大化網(wǎng)絡的性能。 目前還沒有一種路由控制方法能夠滿足所有需求，國內(nèi)外學者對無線傳感器網(wǎng)絡路由控制 方法的研究都是針對特定網(wǎng)絡環(huán)境的。Huang H.等提出EIGR控制方法，考慮位置信息和收 發(fā)功率做轉(zhuǎn)發(fā)策略，在時延和包遞交率方面表現(xiàn)優(yōu)異。苗世洪等針對配電線路提出借助多 路徑可靠信息路由機制滿足網(wǎng)絡可靠性要求，路徑選擇時主要考慮了信道質(zhì)量和傳感器節(jié) 點到Sink節(jié)點的跳數(shù)，保證了數(shù)據(jù)的快速傳輸，但網(wǎng)絡吞吐量無法保證；Preetika等分析 了利用無線傳感器網(wǎng)絡進行電動汽車的能量管理以及實現(xiàn)信息系統(tǒng)管理和電子計費的可 行性，采用Cluster-Tree路由與AODVjr路由結(jié)合的方法，提高了算法性能，但只適用于規(guī) 模較小的網(wǎng)絡，路由路徑也未必是最佳的。孫偉等人指出配電網(wǎng)中節(jié)點采用市電供電，不存 在能量供給問題，提出了一種基于分層無線傳感器網(wǎng)絡拓撲和鏈路質(zhì)量的路由控制方法， 利用分層多路徑平衡負載，為配電設(shè)備提供低錯包率、短時延的數(shù)據(jù)通信服務，但算法對網(wǎng) 絡拓撲結(jié)構(gòu)變化不敏感、不能保證全部節(jié)點入網(wǎng)。為解決上述問題，實現(xiàn)各充電樁與管理中 心之間通過無線傳感器網(wǎng)絡進行高效的數(shù)據(jù)交互，需要重點研究適于電動汽車充電樁集群 管理系統(tǒng)的高效無線傳感器網(wǎng)絡自組網(wǎng)路由控制方法。


【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明要克服基于有線架構(gòu)的傳統(tǒng)集群管理方式中布線、調(diào)試及后期維護、變更 上耗費巨大人力物力的弊端，旨在提高管理系統(tǒng)組網(wǎng)能力和數(shù)據(jù)處理能力，基于集群管理 系統(tǒng)的通信需求，探討適宜的無線通信組網(wǎng)方案，設(shè)計了電動汽車充電樁集群管理系統(tǒng)的 雙層組網(wǎng)通信架構(gòu)，該架構(gòu)以區(qū)域為單位，區(qū)域具體表現(xiàn)為城市中某個充電站，每個區(qū)域配 置一組無線傳感器網(wǎng)絡，用于各充電樁與集群管理中心的數(shù)據(jù)交互，并提供一種用于電動 汽車充電樁集群管理系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡自組網(wǎng)路由控制方法；各區(qū)域與集群管理中心 間通過GPRS專網(wǎng)方式連接，分層上傳數(shù)據(jù)。本發(fā)明為實現(xiàn)各充電樁與管理中心之間進行高 效、實時的數(shù)據(jù)交互，提高充電樁集群的服務質(zhì)量，提出一種電動汽車充電樁集群無線通信 組網(wǎng)方法，如附圖1所示，技術(shù)方案的具體過程如下：
[0006] 1、確定EV充電樁集群規(guī)模（充電樁數(shù)目N)及分布區(qū)域（長度It和寬度wt)、節(jié) 點通信距離R，Sink節(jié)點位于區(qū)域邊緣；
[0007] 2、為保證所有充電樁入網(wǎng)，引入輔助簇頭節(jié)點，根據(jù)傳感區(qū)域大小及節(jié)點通信距 離確定需要部署的輔助簇頭節(jié)點的個數(shù)及位置；
[0008] 3、節(jié)點地理位置信息的獲取
[0009] 非測距定位算法：算法僅需要一個移動信標，假設(shè)節(jié)點的感知距離為Rs，信標節(jié)點 以速率^從（_R S，_RS)到（lt+Rs，wt+Rs)沿直線作間隔為的往返運動，并以頻率f B周期 性地廣播包含當前位置信息的數(shù)據(jù)分組；在移動的過程中，當某一待定位節(jié)點S距離信標 節(jié)點R s時，那么此時信標的位置信息即可參與節(jié)點S的定位；實際中，由于信標節(jié)點的硬件 與定位時間的限制，信標節(jié)點廣播分組的間隔不會是無窮小的，并且節(jié)點的無線電廣播范 圍呈現(xiàn)出一定的不規(guī)則程度（D0I)，如附圖2所示，因此被認為距離待定位節(jié)點為R s的位置 實際與待定位節(jié)點的距離為V s，存在著一定的誤差，即當（l-D〇I)Rs<V s<(l+D〇I)Rs 時，就認為待定位節(jié)點與信標節(jié)點距離為Rs，此刻信標節(jié)點的位置信息可以作為定位S的參 考坐標之一；為提高定位精度，本發(fā)明采用節(jié)點休眠機制使待定位節(jié)點處于參與定位的三 個位置組成的三角形內(nèi)，然后利用極大似然法估算節(jié)點位置；
[0010] 如附圖2所示，定位過程中節(jié)點S共接收信標消息4次，第一次接收的位置信息為 4，此時不記錄位置信息直接休眠，休眠時間為A，假設(shè)節(jié)點S休眠 h后首次接收的位置信 息為A2，記錄位置信息，然后休眠 t2，以此類推，記錄過A4之后則不再接收信標節(jié)點的信息 分組；各階段的休眠時間為：

【權(quán)利要求】
1.根據(jù)所確定的電動汽車（EV)充電樁集群管理系統(tǒng)雙層組網(wǎng)通信架構(gòu)，電動汽車充 電樁集群的無線通信組網(wǎng)方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1、確定EV充電樁集群規(guī)模（充電樁數(shù)目N)及分布區(qū)域D(長度It和寬度wt)、 節(jié)點通信距離R，Sink節(jié)點位于區(qū)域邊緣； 步驟2、為保證所有充電樁入網(wǎng)，引入輔助簇頭節(jié)點，根據(jù)傳感區(qū)域大小及節(jié)點通信距 離確定需要部署的輔助簇頭節(jié)點的個數(shù)及位置； 步驟3、節(jié)點地理位置信息的獲取 非測距定位算法：算法僅需要一個移動信標，假設(shè)節(jié)點的感知距離為Rs，信標節(jié)點以速 率^從（_RS，_RS)到（lt+Rs，wt+Rs)沿直線作間隔為h的往返運動，并以頻率&周期性地 廣播包含當前位置信息的數(shù)據(jù)分組；在移動的過程中，當某一待定位節(jié)點S距離信標節(jié)點 R s時，那么此時信標的位置信息即可參與節(jié)點S的定位；實際中，由于信標節(jié)點的硬件與定 位時間的限制，信標節(jié)點廣播分組的間隔不會是無窮小的，并且節(jié)點的無線電廣播范圍呈 現(xiàn)出一定的不規(guī)則程度（DOI)，因此被認為距離待定位節(jié)點為R s的位置實際與待定位節(jié)點 的距離為1^ s，存在著一定的誤差，即當（l-D〇I)Rs<R' 3<(1+0〇1)艮時，就認為待定位 節(jié)點與信標節(jié)點距離為Rs，此刻信標節(jié)點的位置信息可以作為定位S的參考坐標之一；為 提高定位精度，本發(fā)明采用節(jié)點休眠機制使待定位節(jié)點處于參與定位的三個位置組成的三 角形內(nèi)，然后利用極大似然法估算節(jié)點位置； 定位過程中節(jié)點S共接收信標消息4次，第一次接收的位置信息為A1，此時不記錄位置 信息直接休眠，休眠時間為h，假設(shè)節(jié)點S休眠h后首次接收的位置信息為A2，記錄位置信 息，然后休眠t 2，以此類推，記錄過A4之后則不再接收信標節(jié)點的信息分組；各階段的休眠 時間為：
(1) 式中，！\為從區(qū)域D的一側(cè)沿直線運動到另一側(cè)花費的時間，rand用于生成（0，1)間 的隨機數(shù)； 當待定位節(jié)點S(x, y)通過休眠機制接收到三個位置信息：A2(x2, y2)、A3(x3, y3)、A4(x4, y4)時有：
(2) 上式轉(zhuǎn)化為AX = b形式的線性方程組
Ο) 使用標準的最小均方差估計法可以得到待定位節(jié)點的坐標為： X = (ATA)-lATb (4) 步驟4、對閾值Tn的定義 Tn= 2pXe(-A)[(-k)1〇g(1+kS)] (5)
P是節(jié)點被選為簇頭的概率，這里認為每臺充電樁 對應一個節(jié)點，N為傳感網(wǎng)絡中節(jié)點總數(shù)，dAiB為節(jié)點A到節(jié)點B的距離，A、B可表示各類 型節(jié)點，sn表示傳感節(jié)點，(1_為區(qū)域中節(jié)點到Sink節(jié)點的最遠距離，k、α和Xmin為特定 參數(shù)； 步驟5、普通節(jié)點加入簇中的過程 此階段，每個節(jié)點隨機選擇（〇，1)中的一個值，如果選定的值小于特定閾值!；，那么該 節(jié)點將利用CSMA-MAC協(xié)議廣播ADV消息，宣布自己當選本輪簇頭，普通節(jié)點根據(jù)公式（6) 決定加入哪個簇，成為該簇的一個成員，并通知簇頭；
(6) 式中Si表示普通節(jié)點，Qej表示簇頭為Cj的簇，％表示在節(jié)點Si通信范圍內(nèi)的簇頭節(jié) 點集合，為以Cn為簇頭的簇成員數(shù)； 步驟6、自組網(wǎng)路由控制方法 簇結(jié)構(gòu)中的簇頭以TDMA的方式為簇內(nèi)成員節(jié)點安排發(fā)送數(shù)據(jù)的次序，簇頭在必要的 去冗余之后，采用CSMA/CA機制將數(shù)據(jù)沿簇間路徑傳送至Sink節(jié)點；簇間數(shù)據(jù)的傳輸采用 基于信任值啟發(fā)的多跳路由機制，簇間路徑的選擇遵循規(guī)則1 : 規(guī)則1.選擇的下一跳是偏離源節(jié)點和目的節(jié)點之間連線最小、距離目的節(jié)點最近并 與當前節(jié)點連通的節(jié)點； 路由確定的具體過程如下： 6. 1路徑選擇過程從源節(jié)點Q開始，令Q = (^ (下一跳節(jié)點），確定CNh的鄰接簇節(jié)點 (簇頭節(jié)點和輔助簇頭節(jié)點）集合rc_: 是簇節(jié)點或Sink節(jié)點，且今祀，并判斷 Sink節(jié)點是否在&中，若在，跳轉(zhuǎn)至步驟6. 3,否則計算Q的信任值矩陣：
(7) KNu表示節(jié)點0^賦予節(jié)點&的信任值，由關(guān)于距離的函數(shù)來度量，其計算如式（8)所 示：
(8) 6. 2從1^中選擇信任值最大的節(jié)點Ρη，判斷節(jié)點Ρη是否已經(jīng)在Q到Sink的路徑Path 中，如果不在，則將Pn加入Path中，否則，將Pn從1^中刪除，重復步驟6. 2直到確定Pn，并 令 Pn = 0^ ; 6. 3重復步驟6. 1、6. 2直到Q最終搜索到Sink節(jié)點時，節(jié)點Q的路徑Path即被選 定； 6. 4當源節(jié)點Ci遍歷完所有的簇節(jié)點時，即確定了本次循環(huán)的初步路由，形成了一棵 以Sink節(jié)點為根、簇節(jié)點為骨干的路由樹； 步驟7、路由優(yōu)化模型 建立簇結(jié)構(gòu)時，雖然引入了節(jié)點密度因素對簇頭節(jié)點的選擇有了一定的導向性，簇頭 出現(xiàn)的位置仍然具有隨機性，為防止路由樹僅有一條主干，進一步對吞吐量、時延等多目標 進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，本發(fā)明采用先廣度搜索再深度搜索的方式確定路由；當初步路由建立后，對 當前路由進行一段時間的路由評估，得到以下評估參數(shù)：①平均傳輸時延隊（本發(fā)明統(tǒng)計的 時延為因信道接入機制產(chǎn)生的時延和節(jié)點本身的處理時延）；②網(wǎng)絡吞吐量ThPp即觀察時 間內(nèi)Sink節(jié)點收到的總數(shù)據(jù)量；經(jīng)過h次循環(huán)后，根據(jù)評估參數(shù)從路由庫中確定滿足集群 管理系統(tǒng)信息傳輸要求的最優(yōu)組網(wǎng)路由，并廣播相應簇頭；路由的確定可以簡化為區(qū)間上 限性能指標約束的端到端不確定過程尋優(yōu)求解問題，在有限次循環(huán)內(nèi)尋求最優(yōu)解；滿足實 時性條件下的路由優(yōu)化模型為：
(9) Π0) (11) 式中％為充電樁集群管理系統(tǒng)中信息傳輸允許的最大時延，具體地，只有該循環(huán)的傳 輸時延小于％時，才有可能被確定為最終路由，懷為各循環(huán)的時延值按升序排序后的第V 個時延值，參數(shù)V由實驗經(jīng)驗獲取，取值如式（11)所示，L?」表示小于u的最大整數(shù)，h表循 環(huán)次數(shù)。
【文檔編號】H04W4/02GK104301864SQ201410352792
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】張有兵, 楊曉東, 梁曉莉, 周文委, 謝路耀 申請人:浙江工業(yè)大學