本發(fā)明涉及一種為體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供能的射頻能量源優(yōu)化部署方法，該方法適用于捕獲射頻能量工作的體域網(wǎng)。

背景技術(shù)：

隨著可穿戴技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，智能傳感設(shè)備越來越多地用于人體監(jiān)測，這些設(shè)備捕捉各種用戶數(shù)據(jù)，隨時(shí)隨地上傳到互聯(lián)網(wǎng)云端，成為新的物聯(lián)網(wǎng)入口。這種由人體可穿戴傳感器或植入人體內(nèi)的生物傳感器組成的無線網(wǎng)絡(luò)被稱為“體域網(wǎng)”，其全天候在線的特性使得便捷持續(xù)的生理監(jiān)控成為可能，例如，對心臟病、癲癇、糖尿病等病人的持續(xù)生理監(jiān)測和預(yù)警。隨著可植入智能設(shè)備的日益普及，體域網(wǎng)將與人融為一體，成為日常生活的不可或缺的一部分。

傳統(tǒng)的體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由電池供電或定期充電，無法實(shí)現(xiàn)絡(luò)持續(xù)不間斷工作，尤其對于植入人體的應(yīng)用，更換電池或?qū)⒅踩朐O(shè)備取出充電代價(jià)巨大。得益于無線能量傳輸技術(shù)的突破，體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以從諸如rfid閱讀器、wi-fi熱點(diǎn)、蜂窩基站等設(shè)備發(fā)出的無線電波中捕獲到能量，以支持傳感、計(jì)算和通信。

對射頻能量源位置的合理規(guī)劃可有效提高體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量捕獲功率。由于體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署在人體，能量源部署問題需考慮用戶的移動(dòng)模式。本發(fā)明解決的問題是如何部署最少的射頻能量源為體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供能，使得用戶在移動(dòng)過程中其攜帶的節(jié)點(diǎn)能量不易發(fā)生中斷。公開號(hào)為cn105550480a，cn105722104a的專利文獻(xiàn)分別提供了在射頻充電無線傳感網(wǎng)中貪婪式和基于粒子群優(yōu)化的能量源部署方法，目標(biāo)是用最少的能量源使得給定位置的傳感節(jié)點(diǎn)的充電功率始終大于或等于其能量消耗功率。有文獻(xiàn)考慮了傳感節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)的場景，提出了一種當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)以等概率出現(xiàn)在平面區(qū)域內(nèi)時(shí)的能量源部署方法，目標(biāo)是用最少的能量源使得平面區(qū)域任意點(diǎn)的充電功率平均值大于或等于傳感節(jié)點(diǎn)的能量消耗功率(參見《energyprovisioninginwirelessrechargeablesensornetworks》，刊于ieeetransactionsonmobilecomputing，2013)。但是，以上方法并不適用于本發(fā)明涉及的用戶存在特定移動(dòng)模式的場景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有射頻能量源位置規(guī)劃方法的無法適應(yīng)用戶移動(dòng)模式、無法滿足能量不中斷概率要求的不足，本發(fā)明提供一種適用于用戶移動(dòng)模式、有效滿足能量不中斷概率要求的為體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供能的射頻能量源優(yōu)化部署方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種為體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供能的射頻能量源優(yōu)化部署方法，包括以下步驟：

步驟1體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位于用戶體表或體內(nèi)，通過捕獲周邊射頻能量源發(fā)出的無線信號(hào)能量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信；根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)某區(qū)域多個(gè)移動(dòng)用戶的位置信息，通過聚類算法將群體用戶移動(dòng)模型用頻繁停留點(diǎn)集合v＝{v1,v2,...,vn}和聚類軌跡集合e構(gòu)成的有向圖g＝(v,e)描述，其中，n為停留點(diǎn)個(gè)數(shù)，有向邊ei,j∈e表示在該區(qū)域中存在從停留點(diǎn)vi至停留點(diǎn)vj的移動(dòng)軌跡；用戶在任意停留點(diǎn)vi∈v處的停留時(shí)間t服從截尾正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為0≤t＜∞，其中，μ和σ²分別是均值和方差，α是正規(guī)化常數(shù)，令以保證

步驟2將部署區(qū)域均勻劃分成為x×y個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格大小由精度要求和計(jì)算能力決定，能量源的候選部署位置設(shè)定為每個(gè)網(wǎng)格的中心，且在一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)可同時(shí)部署多個(gè)能量源；

步驟3遍歷所有網(wǎng)格，計(jì)算能量源部署在各個(gè)網(wǎng)格下的第一目標(biāo)函數(shù)值，新增能量源部署在使得第一目標(biāo)函數(shù)值最小的網(wǎng)格中，如果部署于多個(gè)網(wǎng)格的第一目標(biāo)函數(shù)值相等，則新增能量源隨機(jī)部署于其中一個(gè)網(wǎng)格中；

步驟4判斷當(dāng)前部署方案下的第一目標(biāo)函數(shù)值是否為0，若為0，能保證體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在所有停留點(diǎn)的充電功率大于能量消耗功率，進(jìn)入步驟5；否則，重復(fù)步驟3；

步驟5對于軌跡邊ei,j∈e，假設(shè)其長度為li,j，將其分為條線段，δl的取值由精度要求和計(jì)算能力決定，在長度等于或小于δl的線段上移動(dòng)時(shí)，用戶攜帶的體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)充電功率保持不變，為線段中心點(diǎn)處的充電功率；

步驟6遍歷所有網(wǎng)格，計(jì)算能量源部署在各個(gè)網(wǎng)格下的第二目標(biāo)函數(shù)值，新增能量源部署在使得第二目標(biāo)函數(shù)值最小的網(wǎng)格中，如果部署于多個(gè)網(wǎng)格的第二目標(biāo)函數(shù)值相等，則新增能量源隨機(jī)部署于其中一個(gè)網(wǎng)格中；

步驟7判斷當(dāng)前部署方案下的第二目標(biāo)函數(shù)值是否為0，若為0，能保證所有軌跡邊的最大能量累積凈消耗值不超過節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能元件容量，進(jìn)入步驟8；否則，重復(fù)步驟6；

步驟8遍歷所有網(wǎng)格，計(jì)算能量源部署在各個(gè)網(wǎng)格下的第三目標(biāo)函數(shù)值，新增能量源部署在使得第三目標(biāo)函數(shù)值最小的網(wǎng)格中，如果部署于多個(gè)網(wǎng)格的第三目標(biāo)函數(shù)值相等，則新增能量源隨機(jī)部署于其中一個(gè)網(wǎng)格中；

步驟9判斷當(dāng)前部署方案下的第三目標(biāo)函數(shù)值是否為0，若為0，能保證體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的能量不中斷概率滿足系統(tǒng)要求；結(jié)束操作；否則，重復(fù)步驟8。

進(jìn)一步，所述步驟3中，所述第一目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，pc表示體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量消耗功率，表示停留點(diǎn)vi處的充電功率，如果當(dāng)前部署方案中有k個(gè)能量源，由公式(2)計(jì)算得到：

其中η是整流效率，gs是發(fā)送天線增益，gr是接收天線增益，lp是極化損耗，λ是波長，ε是調(diào)節(jié)參數(shù)，以保證取值有限，dk,i是第k個(gè)能量源與點(diǎn)vi之間的距離，ps是能量源的發(fā)射功率，是射頻信號(hào)的相位偏移，||||表示對其中的復(fù)數(shù)取模。

再進(jìn)一步，所述步驟6中，所述第二目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，ec表示體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能元件容量，表示從停留點(diǎn)vi向停留點(diǎn)vj移動(dòng)過程中的最大能量累積凈消耗值，由公式(4)計(jì)算得到：

其中表示軌跡邊ei,j中第m段線段中心點(diǎn)ui,j,m處的充電功率，可由公式(2)計(jì)算得到，li,j,m表示軌跡邊ei,j中第m段線段的長度，表示用戶平均移動(dòng)速率。

更進(jìn)一步，所述步驟8中，所述第三目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，p0表示系統(tǒng)要求的體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量不中斷概率，pi,j表示用戶從停留點(diǎn)vi向停留點(diǎn)vj移動(dòng)過程中的能量不中斷概率，由公式(6)計(jì)算得到：

其中ti,j表示用戶沿軌跡邊ei,j移動(dòng)過程中，為保證節(jié)點(diǎn)能量不中斷至少需要在停留點(diǎn)vi處停留的時(shí)間，由公式(7)計(jì)算得到：

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：適用于體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能夠捕獲射頻能量進(jìn)行充電的場景，可根據(jù)用戶的移動(dòng)模式合理部署能量源，滿足系統(tǒng)的能量不中斷要求，降低部署成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施流程圖；

圖2是本實(shí)施例中描述用戶移動(dòng)模式的有向圖g的示意圖；

圖3是本實(shí)施例中用戶在停留點(diǎn)停留時(shí)間的概率密度函數(shù)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照圖1～圖3，一種為體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)供能的射頻能量源優(yōu)化部署方法，包括以下步驟：

步驟1體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位于用戶體表或體內(nèi)，通過捕獲周邊射頻能量源發(fā)出的無線信號(hào)能量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和通信。用戶在某區(qū)域移動(dòng)過程中，一般存在若干個(gè)停留時(shí)間較長的停留點(diǎn)以及一些相對固定的移動(dòng)軌跡。因此，首先根據(jù)以上特征，對用戶的移動(dòng)模式進(jìn)行建模。根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)某區(qū)域多個(gè)移動(dòng)用戶的位置信息，通過聚類算法將群體用戶移動(dòng)模型用頻繁停留點(diǎn)集合v＝{v1,v2,...,vn}和聚類軌跡集合e構(gòu)成的有向圖g＝(v,e)描述，其中，n為停留點(diǎn)個(gè)數(shù)，有向邊ei,j∈e表示在該區(qū)域中存在從停留點(diǎn)vi至停留點(diǎn)vj的移動(dòng)軌跡，如圖2所示；用戶在任意停留點(diǎn)vi∈v處的停留時(shí)間t服從截尾正態(tài)分布，如圖3所示，其概率密度函數(shù)為0≤t＜∞，μ和σ²分別是均值和方差，α是正規(guī)化常數(shù)，令以保證均值和方差可根據(jù)大量用戶的實(shí)際停留時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到。

步驟2將部署區(qū)域均勻劃分為x×y個(gè)網(wǎng)格，能量源的候選布置位置設(shè)定為每個(gè)網(wǎng)格的中心，且在一個(gè)網(wǎng)格內(nèi)可同時(shí)部署多個(gè)能量源，網(wǎng)格的大小由部署精度要求和計(jì)算能力決定，網(wǎng)格越小，部署精度越高，但計(jì)算復(fù)雜度也越高；

步驟3首先保證體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在各停留點(diǎn)處能有效充電，即各停留點(diǎn)處的充電功率大于能量消耗功率。遍歷所有網(wǎng)格，計(jì)算能量源部署在各個(gè)網(wǎng)格下的第一目標(biāo)函數(shù)值，新增能量源部署在使得第一目標(biāo)函數(shù)值最小的網(wǎng)格中，如果部署于多個(gè)網(wǎng)格的第一目標(biāo)函數(shù)值相等，則新增能量源隨機(jī)部署于其中一個(gè)網(wǎng)格中；

進(jìn)一步地，步驟3中，所述第一目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，pc表示體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能量消耗功率，表示停留點(diǎn)vi處的充電功率，如果當(dāng)前部署方案中有k個(gè)能量源，由公式(2)計(jì)算得到：

其中η是整流效率，gs是發(fā)送天線增益，gr是接收天線增益，lp是極化損耗，λ是波長，ε是調(diào)節(jié)參數(shù)，以保證取值有限，dk,i是第k個(gè)能量源與點(diǎn)vi之間的距離，ps是能量源的發(fā)射功率，是射頻信號(hào)的相位偏移，||||表示對其中的復(fù)數(shù)取模。本實(shí)施例中，η＝0.3，gs＝8dbi，gr＝2dbi，lp＝3db，λ＝0.33m，ε＝0.2316m，ps＝1～4w；

步驟4判斷當(dāng)前部署方案下的第一目標(biāo)函數(shù)值是否為0，若為0，能保證體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在所有停留點(diǎn)的充電功率大于能量消耗功率，進(jìn)入步驟5；否則，重復(fù)步驟3；

步驟5由于儲(chǔ)能元件容量有限，因此用戶在各條軌跡邊上移動(dòng)過程中的最大能量累積凈消耗值不能超過儲(chǔ)能元件容量。為了計(jì)算最大能量累積凈消耗值，對各軌跡邊進(jìn)行分段。對于軌跡邊ei,j∈e，假設(shè)其長度為li,j，將其分為條線段，在長度等于或小于δl的線段上移動(dòng)時(shí)，用戶攜帶的體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)充電功率保持不變，為線段中心點(diǎn)處的充電功率，δl的取值由精度要求和計(jì)算能力決定，δl越小，計(jì)算精度越高，但計(jì)算復(fù)雜度也越高；

步驟6遍歷所有網(wǎng)格，計(jì)算能量源部署在各個(gè)網(wǎng)格下的第二目標(biāo)函數(shù)值，新增能量源部署在使得第二目標(biāo)函數(shù)值最小的網(wǎng)格中，如果部署于多個(gè)網(wǎng)格的第二目標(biāo)函數(shù)值相等，則新增能量源隨機(jī)部署于其中一個(gè)網(wǎng)格中；

進(jìn)一步地，步驟6中所述第二目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，ec表示體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的儲(chǔ)能元件容量，表示從停留點(diǎn)vi向停留點(diǎn)vj移動(dòng)過程中的最大能量累積凈消耗值，由公式(4)通過依次計(jì)算用戶經(jīng)過一條軌跡的各個(gè)線段的能量累積凈消耗值取最大值得到：

其中表示軌跡邊ei,j中第m段線段中心點(diǎn)處的充電功率，可由公式(2)計(jì)算得到，li,j,m表示軌跡邊ei,j中第m段線段的長度，表示用戶平均移動(dòng)速率，可根據(jù)大量用戶的移動(dòng)速率數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到。

步驟7判斷當(dāng)前部署方案下的第二目標(biāo)函數(shù)值是否為0，若為0，能保證所有軌跡邊的最大能量累積凈消耗值不超過節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能元件容量，進(jìn)入步驟8；否則，重復(fù)步驟6；

步驟8體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的能量不中斷概率需滿足系統(tǒng)要求。遍歷所有網(wǎng)格，計(jì)算能量源部署在各個(gè)網(wǎng)格下的第三目標(biāo)函數(shù)值，新增能量源部署在使得第三目標(biāo)函數(shù)值最小的網(wǎng)格中，如果部署于多個(gè)網(wǎng)格的第三目標(biāo)函數(shù)值相等，則新增能量源隨機(jī)部署于其中一個(gè)網(wǎng)格中；

進(jìn)一步地，步驟8中所述第三目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

其中，p0表示系統(tǒng)要求的體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量不中斷概率，pi,j表示用戶從停留點(diǎn)vi向停留點(diǎn)vj移動(dòng)過程中的能量不中斷概率，由公式(6)計(jì)算得到：

其中ti,j表示用戶沿軌跡邊ei,j移動(dòng)過程中，為保證節(jié)點(diǎn)能量不中斷至少需要在停留點(diǎn)vi處停留的時(shí)間，由公式(7)計(jì)算得到：

步驟9判斷當(dāng)前部署方案下的第三目標(biāo)函數(shù)值是否為0，若為0，能保證體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)實(shí)際的能量不中斷概率滿足系統(tǒng)要求，結(jié)束操作；否則，重復(fù)步驟8。