[發明專利]一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法

有效

• 申請號: 202010765357.4
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN112040498B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 王同;沈洋;高林;蔣宇飛
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學（深圳）
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W52/02;H04W72/04;H04W84/18
• 代理公司: 深圳市添源知識產權代理事務所(普通合伙) 44451
• 代理人: 羅志偉

本發明公開了一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法，在ST?WPSNs中滿足傳感器吞吐量需求的條件下，為最小化網絡的能量消耗，以延長HAP的服務時間，本發明根據所提出的優化問題的特征，結合定點迭代法，設計了一種低復雜度的自適應動態時間分配方法，該方法在每個傳輸周期開始前，都通過計算得出該傳輸周期內的最優能量傳輸和傳感器數據傳輸的時間分配，在滿足傳感器吞吐量需求的約束條件下，實現了網絡能量消耗最小化的目標。相比于現有的采用傳統凸優化方法求解的方法，本發明方法的運算復雜度明顯降低，并且考慮了原始優化問題可行集為空的特殊情形，具有更高的魯棒性，更加適用于ST?WPSNs場景。

技術領域

本發明屬于無線傳感器通信技術領域，具體涉及一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法。

背景技術

在星型拓撲無線供能傳感器網絡(ST-WPSNs，Star Topology Wireless PoweredSensor Networks)中，考慮傳感器未配備能量存儲裝置的場景，網絡的能量供應全部來自中心混合接入點(HAP，HybridAccess Point)。每個傳感器節點都有各自的吞吐量需求，為了在滿足傳感器節點(SN，SensorNode)吞吐量需求的條件下盡可能延長HAP的服務時間，需要優化傳感器的傳輸時間分配來最大程度降低網絡的能量消耗。在傳統的等間隔固定時間分配方法中，HAP向傳感器節點傳輸能量的時間以及每個傳感器節點向HAP傳輸數據的時間都是相同的，雖然該方法實現起來很簡單，但由于沒有考慮傳感器節點吞吐量需求的異構性以及信道條件的時變性等特征，在ST-WPSNs中使用該時間分配方法后的能量消耗很大，而在另外一些以網絡的其他性能為優化目標的自適應動態時間分配方法中，由于待優化的目標函數不是網絡的能量消耗，因此，所得到的時間分配方法也不能有效的降低網絡的能量消耗，此外，在已有的時間分配方案中，都是在原始優化問題有解的假設的提出的，但由于信道的時變性等特征，在一些特殊的情況下，原始優化問題的可行集可能為空，對于此類情況，已有的時間分配方案沒有提供相應的處理方法。

現有的時間分配優化問題一般都是通過凸優化方法進行求解，如果一個標準形式下的優化問題的目標函數和不等式約束函數是凸函數，并且等式約束是仿射函數，則該優化問題就是凸優化問題。凸優化方法是用于求解凸優化問題的常用方法，因此，在已有的基于ST-WPSNs的時間分配方案的求解中，原始優化問題首先被改造成凸優化問題，之后采用凸優化方法進行求解得到最優的時間分配結果。常用的凸優化方法有拉格朗日乘子法，內點法等，對于拉格朗日乘子法，需要求解KKT條件的一個方程組，當問題規模較大，待優化變量較多或者方程組中包含難以求解的超越方程等情況時，該方程組難以求得閉合解，因此拉格朗日乘子法只適用于較為簡單的場景；對于內點法，需要迭代地對優化問題進行求解，在問題規模較大時，算法具有較高的時間復雜度，對HAP的算力提出了較高的要求，難以適用于ST-WPSNs的場景。

發明內容

針對現有技術的缺陷和改進需求，本發明提供了一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法，在滿足傳感器吞吐量需求的條件下，為最小化網絡的能量消耗，以延長HAP的服務時間，根據所提出的優化問題的特征，結合定點迭代法，設計了一種低復雜度的自適應動態時間分配方案。

本發明的技術方案如下：

一種基于定點迭代的無線供能傳感器網絡時間分配方法，由以下星型拓撲無線供能傳感器網絡系統來實現，該系統包括：一個配備了K個天線的混合中繼節點HAP，N個單天線的傳感器節點SN以及云端，傳感器節點沒有配備能量存儲裝置，混合中繼節點和傳感器之間采用星形拓撲結構，云端負責從混合中繼點收集傳感數據并對其進一步處理和利用，系統運行在周期為T的時間序列上，設h_i＝[h_i,1,h_i,2,...,h_i,K]為從混合中繼節點到第i個傳感器的信道系數向量，其中h_i,j表示從混合中繼節點的第j個天線到第i個傳感器的信道系數，系統通信分為能量傳輸階段和數據傳輸階段，具體方式如下：

(一)能量傳輸階段