[發明專利]一種面向智能服裝的能量管理和網絡性能的聯合優化方法

在審

• 申請號: 202310005587.4
• 申請日: 2023-01-04
• 公開（公告）號: CN116321040A
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發明（設計）人: 張磊;高震宇;林潘悅;于靜偉;朱彥錦
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H04W4/38
• 分類號: H04W4/38;H04W24/02;H04W28/24;H04W40/08;H04W40/12;H02J7/32;H02N1/04;H02J50/20
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司 31001
• 代理人: 翁若瑩;柏子雵

1.一種面向智能服裝的能量管理和網絡性能的聯合優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、基于可穿戴傳感系統，構建一個通用的智能服裝模型，在該智能服裝模型中，無線傳感節點分布在人體的關鍵部位，用于監測人體生理特征，同時，在該智能服裝模型中有中央節點，用于收集和轉發無線傳感節點采集的生理數據；

步驟2、定義智能服裝在日常應用場景中穿戴主體的典型人體姿態，并建立姿態狀態選擇的馬爾可夫模型；

步驟3、設置中央節點配置射頻能量收割模塊和服裝關節部位的功能面料摩擦納米發電機，同時進行射頻和摩擦發電機輸出的混合能量收集，對智能服裝中的可充電電池進行充電，由可充電電池為各個無線傳感節點供電；

步驟4、建立能量消耗模型，并充分考慮智能服裝穿戴主體姿態的變化對摩擦電能的功率采集的相關性，則無線傳感節點i總能量消耗E_i由下式計算：

式中，π_m表示人體處于第m姿態下的概率、E_sleep表示睡眠模式下的能耗、表示第m姿態下無線傳感節點i的功耗；

所有無線傳感節點的能量消耗E_Total描述為下式：

式中，N為無線傳感節點的數量；

步驟5、建立電池放電損耗β模型，如下式所示：

式中，ω表示單位電池損耗系數，表示節點i在姿態m下收獲到的能量；

步驟6、建立無線信道模型：

第m姿態下無線信道的路徑損耗模型由對數距離傳播模型及其小尺度衰落，如下式所示：

式中，PL₀表示參考距離下的路徑損耗、c_i表示路徑損耗指數、d_i表示無線傳感節點i到中央節點的距離、d₀表示參考距離、S表示陰影衰落因子、K表示萊斯因子、表示第m姿態下的高斯隨機變量；

步驟7、基于不同姿態下的數據處理時延和信號傳輸時延，建立總時延模型：第m姿態下的無線傳感節點i的處理延遲表示為：

式中，W_i^m表示節點i在姿態m下采集的數據量；

第m姿態下的無線傳感節點i的傳輸延遲描述如下：

式中，V_i^m表示節點i在姿態m下的數據傳輸率、表示在姿態m中節點i的信道中已經存在的延遲；

則總時延模型定義為：

式中，表示姿態m中的節點i的處理延遲，表示姿態m中的節點i的傳輸延遲；

步驟8、建立網絡服務質量和能量消耗的聯合優化問題：

聯合步驟4、5、6、7中建立的模型，構建一個整體的聯合優化問題，定義其總成本表示為：

G＝λ₁·PL^m(d)+λ₂·D_Total+λ₃·E_Total+λ₄·β

式中，λ₁、λ₂、λ₃、λ₄為權重系數；

步驟9、基于元啟發式算法和強化學習算法的聯合優化方法，以步驟8中的總成本的最小化為目標進行求解，獲取優化結果。

2.如權利要求1所述的一種面向智能服裝的能量管理和網絡性能的聯合優化方法，其特征在于，設計所述無線傳感節點的休眠機制作為節能方案，設置所述無線傳感節點的工作時間占空比可調。

3.如權利要求2所述的一種面向智能服裝的能量管理和網絡性能的聯合優化方法，其特征在于，將步驟3的能量收集方案與所述節能方案相結合，提高能源效率。

4.如權利要求1所述的一種面向智能服裝的能量管理和網絡性能的聯合優化方法，其特征在于，步驟4中，第m姿態下無線傳感節點i的功耗由下式計算：

式中，ρ表示占空比、t表示時刻、表示第m姿態下無線傳感節點i的處理能耗、表示第m姿態下無線傳感節點i的傳輸能耗。

5.如權利要求4所述的一種面向智能服裝的能量管理和網絡性能的聯合優化方法，其特征在于，第m姿態下無線傳感節點i的處理能耗采用下式計算：

第m姿態下無線傳感節點i的傳輸能耗采用下式計算：

式中，Ψ_i,表示節點i在姿態m下的能量處理成本、r_i表示節點i的源速率、表示不同姿態下的高斯隨機變量、ζ_i,表示傳輸能量成本、表示不同姿態下節點i與中心節點之間的距離。