無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般隨機(jī)事件捕獲調(diào)度的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種無線可充電傳感器，尤其涉及一種無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般 隨機(jī)事件捕獲調(diào)度。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受限于其電池容量，整體的網(wǎng)絡(luò)壽命深受影響，限制了其 在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。幸運(yùn)的是，最近的研究表明能量采集技術(shù)可以幫助傳感器從周邊環(huán)境中 汲取可再生能源能量，從而延長(zhǎng)傳感器的生命周期。汲取的能量形式有太陽能，風(fēng)能，熱能 等。盡管如此，如許多實(shí)際實(shí)驗(yàn)所展示的，通常無線可充電傳感器的能量汲取速率要低于其 工作功率，所以傳感器不能保證可持續(xù)工作，而需要進(jìn)行醒睡調(diào)度來執(zhí)行任務(wù)。因此，如何 制定合理的方案對(duì)傳感器進(jìn)行調(diào)度來實(shí)現(xiàn)性能最大化是需要考慮的一個(gè)重要問題，本文考 慮的即是如何調(diào)度傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)隨機(jī)事件 [19]捕獲性能的最大化。
[0003] 目前在無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)（WRSN)中考慮事件捕獲主要分為兩類。一類是沒 有考慮事件停留時(shí)間的隨機(jī)特性。例如，在無線可充電傳感網(wǎng)中，Jaggi等人利用事件發(fā)生 的時(shí)間相關(guān)性設(shè)計(jì)了有效的激活策略。Ren等人主要研究了事件到達(dá)的間隔事件可建模為 一般的更新過程時(shí)，如何動(dòng)態(tài)地對(duì)傳感器醒睡調(diào)度來最大化時(shí)間捕獲性能。也有一些工作 是假設(shè)事件檢測(cè)的效用，即事件被檢測(cè)到的概率，取決于觀測(cè)到這個(gè)事件的活動(dòng)傳感器節(jié) 點(diǎn)數(shù)目。例如，Tang等人假定效用函數(shù)是單調(diào)子模，并且提供了能夠保證穩(wěn)定近似的多項(xiàng) 式時(shí)間算法。但他的算法只適合于傳感器節(jié)點(diǎn)都是相同，即充電效率和工作功率都一致的 情況。顯然這些算法因?yàn)闆]有考慮事件停留時(shí)間的隨機(jī)特性，并不能用于實(shí)際隨機(jī)事件的 捕獲。
[0004] 另一類工作則是考慮了事件停留時(shí)間的隨機(jī)特性，但僅假設(shè)事件停留時(shí)間服從指 數(shù)分布，例如，有人考慮了事件停留時(shí)間為指數(shù)分布的情況，得出了一個(gè)近似比算法。不過， 其對(duì)事件停留時(shí)間的簡(jiǎn)單假設(shè)并不現(xiàn)實(shí)，也限制了其應(yīng)用。與前一類工作相比，此類工作的 考慮顯然更為實(shí)際，但是因?yàn)槭录Ａ魰r(shí)間不一定是服從指數(shù)分布，這使得后者的應(yīng)用有 一定的局限性。
[0005] 此外，在一個(gè)類似的場(chǎng)景--低占空比傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有人考慮了隨機(jī)事件的到 達(dá)時(shí)間和停留時(shí)間對(duì)Q〇M的影響。特別地，移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)也被用來擴(kuò)充覆蓋范圍，并且相 關(guān)的一個(gè)周期覆蓋問題也被研究來優(yōu)化整體的Q〇M。更進(jìn)一步，朱齊丹等人從理論上分析 了隨機(jī)事件監(jiān)測(cè)效率與移動(dòng)傳感器的數(shù)量，路徑和速度之間的關(guān)系，同時(shí)提出了移動(dòng)傳感 器的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。He等人考慮了同步和異步網(wǎng)絡(luò)中的能量效率和傳感器間的協(xié)調(diào)問題。 He等人對(duì)網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行了研究，但僅使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的（q，p)_低占空比調(diào)度算法。 Jiang等人利用移動(dòng)充電器為傳感器充電，充電的過程中同時(shí)考慮了隨機(jī)事件監(jiān)測(cè)的性能， 隨機(jī)事件停留時(shí)間服從指數(shù)分布。總而言之，這些研究也僅考慮了事件停留時(shí)間為指數(shù)分 布。因此，這些工作無法被借鑒用來解決無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中事件停留時(shí)間服從一般 概率分布時(shí)的隨機(jī)事件捕獲性能優(yōu)化問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明就是針對(duì)上述問題，提出一種無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般隨機(jī)事件捕獲 的調(diào)度問題，并且研究了感興趣點(diǎn)（Pol)處存在一個(gè)或多個(gè)監(jiān)控傳感器時(shí)Q〇M的計(jì)算。
[0007] 為達(dá)到上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用了一種無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般隨機(jī)事件 捕獲調(diào)度，感興趣點(diǎn)（Pol)處存在一個(gè)或多個(gè)監(jiān)控傳感器時(shí)Q〇M的計(jì)算。具，并且證明了考 慮一般事件停留時(shí)間分布時(shí)的調(diào)度問題為NP完全問題；通過將調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題， 發(fā)現(xiàn)可以將其描述為擬陣約束的子模函數(shù)最大化問題，這一轉(zhuǎn)換能夠設(shè)計(jì)一個(gè)1/2近似比 的算法；進(jìn)行了大量的仿真模擬來驗(yàn)證結(jié)果的正確性；具體表現(xiàn)為：
[0008] (1)、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型
[0009] 假設(shè)有m個(gè)傳感器V={vpv2, . . .，vm}分布在一個(gè)二維區(qū)域中，該區(qū)域中包含n 個(gè)興趣點(diǎn)，〇= {〇1，〇2，...，〇n}。假設(shè)傳感器Vi覆蓋了興趣點(diǎn)的子集〇i，相鄰的傳感器可以 覆蓋共同興趣點(diǎn)。因此，某個(gè)興趣點(diǎn)〇i可能被多個(gè)傳感器所覆蓋，我們用Vi來表示，顯然Vi 為V的子集。
[0010] 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器采用匯聚樹協(xié)議（CTP)向基站匯報(bào)數(shù)據(jù)。假定時(shí)間被劃分成 等長(zhǎng)的時(shí)隙，每T時(shí)隙，基站為下一個(gè)T間隔內(nèi)所有傳感器制定周期性計(jì)劃，并將其發(fā)布至 各傳感器。各傳感器所遵循的周期性計(jì)劃具有相同的長(zhǎng)度L。我們將以調(diào)度過程開始的周期 命名為調(diào)度周期。為簡(jiǎn)便起見，假定T為L(zhǎng)的整數(shù)倍。在任意時(shí)隙內(nèi)，各傳感器都能將自身調(diào) 整為活動(dòng)或不活動(dòng)狀態(tài)。因此，傳感器Vi的調(diào)度可以用向量表示為Si=(an，ai2，... ^1)， 其中aij= 1表明傳感器在時(shí)隙j內(nèi)是活動(dòng)的，a0則表明傳感器在時(shí)隙j不是活動(dòng)的。 (2)、充電模型和能量消耗模型
[0011] 假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的電容足夠平緩掉捕獲能量的隨機(jī)性[6]。因此在每個(gè)長(zhǎng)為T時(shí)隙 的調(diào)度周期開始時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能預(yù)先確定在這整個(gè)T時(shí)隙周期內(nèi)，它能活動(dòng)的時(shí)隙個(gè)數(shù) 為li。為簡(jiǎn)單起見，假設(shè)每個(gè)傳感器\的1 1是完整的，也就是說在周期調(diào)度Si的活動(dòng)時(shí)隙 內(nèi)，經(jīng)過等價(jià)轉(zhuǎn)換后，傳感器Vi的充電功率不多于1i。所以調(diào)度Si要滿足||SJ1 "其 中I|S」范數(shù)。
[0012] (3)、事件模型、QoM的概念和特性
[0013] 假設(shè)事件逐個(gè)發(fā)生，相鄰事件發(fā)生的間隔時(shí)間標(biāo)記為Y。為簡(jiǎn)便起見，假設(shè)在各個(gè) 興趣點(diǎn)處Y滿足系數(shù)為1/y的指數(shù)分布，這種假設(shè)在文獻(xiàn)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用（如[6]-[8]、 [10]-[12])。此外，假設(shè)時(shí)間的效用函數(shù)為單步效用函數(shù)，則每當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)捕獲到事件， 事件的效用即變?yōu)?。在事件消失前，將有一定的停留時(shí)間X且滿足給定的概率分布函數(shù) f(x)如指數(shù)分布或帕累托分布。
[0014] 接著分析一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋某個(gè)興趣點(diǎn)Q〇M，采用一個(gè)廣泛使用的范例，假 設(shè)在事件t內(nèi)興趣點(diǎn)i處有mif隨機(jī)事件發(fā)生，所有的傳感器捕捉到ci個(gè)事件，興趣點(diǎn)i處 的QoM則被定義為：0〇從(〇 = limq / (1) ?->co
[0015] 若對(duì)一般的事件停留時(shí)間函數(shù)滿足f(x)分布，且傳感器每p時(shí)間周期內(nèi)的活動(dòng)時(shí) 間為q，那么（q，P)占空比的QoM可以表不為：
[0016]
[0017] 對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行擴(kuò)展提出了如下引理。
[0018] 引理2. 1 :若單個(gè)傳感器Vj(Vi= {Vj})覆蓋的興趣點(diǎn)ojAQoM，若調(diào)度向量S可 以被正則化為R(S) = (pQ,Ppq2,p2, ? ? ?qk,pk)，則有：
[0019]
【主權(quán)項(xiàng)】
1.無線可充電傳感器網(wǎng)絡(luò)中一般隨機(jī)事件捕獲調(diào)度，其特征在于，感興趣點(diǎn)（PoI)處 存在一個(gè)或多個(gè)監(jiān)控傳感器時(shí)QoM的計(jì)算，并且證明了考慮一般事件停留時(shí)間分布時(shí)的調(diào) 度問題為NP完全問題；通過將調(diào)度問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問題，發(fā)現(xiàn)可以將其描述為擬陣約束的 子模函數(shù)最大化問題，這一轉(zhuǎn)換能夠設(shè)計(jì)一個(gè)1/2近似比的算法；進(jìn)行了大量的仿真模擬 來驗(yàn)證結(jié)果的正確性；具體表現(xiàn)為： (1) 、構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)模型 假設(shè)有m個(gè)傳感器V = Iv1, v2, ...，vm}分布在一個(gè)二維區(qū)域中，該區(qū)域中包含η個(gè)興 趣點(diǎn)，〇 = {〇1，〇2,...，〇J，假設(shè)傳感器Vi覆蓋了興趣點(diǎn)的子集〇 i，相鄰的傳感器可以覆蓋 共同興趣點(diǎn)，因此，某個(gè)興趣點(diǎn)Oi可能被多個(gè)傳感器所覆蓋，我們用V i來表示，顯然V V 的子集； 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器采用匯聚樹協(xié)議（CTP)向基站匯報(bào)數(shù)據(jù)，假定時(shí)間被劃分成等長(zhǎng) 的時(shí)隙，每T時(shí)隙，基站為下一個(gè)T間隔內(nèi)所有傳感器制定周期性計(jì)劃，并將其發(fā)布至各傳 感器，各傳感器所遵循的周期性計(jì)劃具有相同的長(zhǎng)度，我們將以調(diào)度過程開始的周期命名 為調(diào)度周期，為簡(jiǎn)便起見，假定T為L(zhǎng)的整數(shù)倍，在任意時(shí)隙內(nèi)，各傳感器都能將自身調(diào)整為 活動(dòng)或不活動(dòng)狀態(tài)，因此，傳感器V i的調(diào)度可以用向量表示為S i= (a n, ai2, . . .，ait)，其中 Sij= I表明傳感器在時(shí)隙j內(nèi)是活動(dòng)的，a u= 0則表明傳感器在時(shí)隙j不是活動(dòng)的； (2) 、充電模型和能量消耗模型 假設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)的電容足夠平緩掉捕獲能量的隨機(jī)性，因此在每個(gè)長(zhǎng)為T時(shí)隙的調(diào)度 周期開始時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能預(yù)先確定在這整個(gè)T時(shí)隙周期內(nèi)，它能活動(dòng)的時(shí)隙個(gè)數(shù)為Ii，為 簡(jiǎn)單起見，假設(shè)每個(gè)傳感器\的1 1是完整的，也就是說在周期調(diào)度S i的活動(dòng)時(shí)隙內(nèi)，經(jīng)過 等價(jià)轉(zhuǎn)換后，傳感器\的充電功率不多于Ii,所以調(diào)度Si要滿足I IsiI I1Sli，其中I IsiI I1 是SjA L1范數(shù)； (3) 、事件模型、QoM的概念和特性 假設(shè)事件逐個(gè)發(fā)生，相鄰事件發(fā)生的間隔時(shí)間標(biāo)記為Y，為簡(jiǎn)便起見，假設(shè)在各個(gè)興 趣點(diǎn)處Y滿足系數(shù)為l/μ的指數(shù)分布，這種假設(shè)在文獻(xiàn)中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用（如[6]_[8]、 [1〇]-[12])，此外，假設(shè)時(shí)間的效用函數(shù)為單步效用函數(shù)，則每當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)捕獲到事件， 事件的效用即變?yōu)?，在事件消失前，將有一定的停留時(shí)間X且滿足給定的概率分布函數(shù) f (X)如指數(shù)分布或帕累托分布； 接著分析一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)覆蓋某個(gè)興趣點(diǎn)i的Q〇M，采用一個(gè)廣泛使用的范例，假設(shè)在 事