可充电无线传感器网络动态拓扑问题研究

钟惠

摘要：无线传感器网络的出现为资源保护、环境管理等相关领域提供了更好的技术装备和信息平台。以往的研究基础比较长，对可充电无线传感器网络的动态拓扑结构进行分析，旨在实现长时间工作的目标，得到最优解。

关键词：可充电无线传感器网络；动态拓扑动态路由；

在可充电无线传感器网络中的能量补给设备兼任数据采集设备的情况下，提出了可充电无线传感器网络时变动态拓扑模型，并在此基础上根据最大化能量补给设备驻站时间比为目标提出了最优化问题。通过分析不同时刻不同传感器节点和无线能量补给/数据釆集设备的工作情况及需要遵循的约束条件，得到与原问题具有等优性的多状态线性规划问题。求解该优化问题，获得可充电无线传感器网络动态拓扑下的周期动态路由和无线能量补给/数据采集设备的工作策略。

一、可充电无线传感器网络的动态拓扑研究的创新

1.提出了可充电无线传感器网络中的动态拓扑工作方式。因为在向设备进行能量补给的过程中，无线能量补给需要对网络中全部的传感器节点进行造访，因此在子网络当中因为这个节点是以簇头的形式存在的，因此可以这样说，网络的特性存在动态拓扑。

2.对于数据的接收本文除了固定的基站外，无线能量补给同样能够对传感器节点的信息进行收集。因为对于网络当中相对于的簇头节点，每个传感器节点均会有对应，这就造成所遵循的条件会受到约束，因此，在进行模型优化的建立过程中，需要对所受到约束的条件进行充分的考虑，而这就会增加了建立模型优化的难度。按照此在网络中动态拓扑工作的形式，然后切实的建立起相适应额优化模型，同时将其问题转化为线性规划，最后得到求解。

二、问题描述及优化问题初步建模

1.能量补给阶段。初始能量补给主要是指在布设无线传感器网络完成之后，全部传感器节点对能量补给第一次接受的阶段；一般能量进行补给的阶段。一般能量进行补给的阶段主要是由数据采集周期组成的，此周期一般情况下需要满足以下各个条件。（1）在任意一个能量补给的周期内，在电量上任意一个传感器节点要大于Emin，同时也不能够大于Emax。（2）相对于每个传感器上的节点来说，在一段时间内曲线变化过程中，其任意两个的一般能量补给均一样。在第一个条件中，对一般能量补给提出要求，要求其不管是在任何传感器节点的电量时，都能够对其的正常工作进行维持，于此同时，也能够让过充电操作的发生得到了限制。主要对无线传感器网络中的传感器节点进行讨论，并为其的工作设计相适应的方案，而这就需要借助条件2限制无线传感器节点。

2.一般能量补给周期模型。由于无线传感器材网络中各个设备工作方案的建立，是在进行一般能量补给的周期之内，因此在这里仅对一般能量补给周期进行讨论。将一般能量补给周期的长度设为τ，那么这个时候的一般能量补给开始的周期就是τ，周期结束时间为2τ；i∈N（传感器节点）借助监测环境，然后最终数据的速率产生记为Ribit/s；传感器节点i在t(t∈{τ,2τ}时刻，将会从其他传感器节点上进行数据的接收。通过建立的模型分析发现，如果要全部实施能量补给的方法，即要保证传感器节点在每次充电完成之后，能量能够达到Emax，对OPT-1最优目标函数值不发生改变问题进行优化。然后再通过约束条件进行黄钻花，最终得到新的优化问题OPT-2。

三、模型分析和优化问题

1.分析优化模型。上述中得到了优化问题OPT-2。首先对约束条件的个数进行优化。如果有N个传感器节点在无线传感器网络当中，那自然而然约束条件相对应的也就有N个约束等式。

四、初始能量补给/数据采集阶段

初始能量补给/数据釆集阶段和一般能量补给/数据釆集阶段不能合并讨论，其原因是初始能量补给/数据釆集阶段不满足一般能量补给/数据釆集周期的条件，即初始能量补给/数据采集阶段幵始和结束时，传感器节点〖剩余电量并不相等。研究初始能量补给/数据釆集阶段的目的是为了保证在该阶段结束时，传感器节点的剩余电量达到某种要求，可以顺利地衔接到第一一般能量补给/数据釆集周期，第一一般能量补给/数据采集周期为一般能量补给/数据釆集阶段中的第一个周期。在初始能量补给/数据采集阶段内，保证传感器节点及WCE的工作方式与一般能量补给/数据采集周期相同，通过调整能量补给功率就可以达IU阶段衔接目的。设在一般能量补给/数据釆集周期开始时，传感器节点i的剩余电量为民_，当WCE开始对该节点补给能量时，该节点的剩余电量为尽。那么在初始能量补给/数据采集阶段内，当WCE开始对该传感器节点补给能量时，该节点的剩余电量为

在初始能量补给/数据采集阶段内，同样釆用完全能量补给方式，即在WCE完成能量补给时，传感器节点能量达到Emax这样，在初始能量补给/数据釆集阶段内，WCE进行能量补给的功率V可由下式求得；

既

又有

所以

至此，对初始能量补给/数据釆集阶段和一般能量补给/数据釆集阶段的讨论就完成了。

五、优化问题OPT-5的模型复杂度的分析

对问题OPT-5中约束条件的复杂度进行计算并且优化。根据分析可知，无线传感器网络如果处于的阶段不同，那所采用的数据路由也是不同的；传感器节点在接受能量补给的过程中，传感器节点就会在数据传输业务上承担的更多，传感器节点作为簇头并不是一成不变的，同理子网的划分也并不是不发生改变的，因此这就说名有动态拓扑结构在无线传感器网络中存在。

总之，在以往研究成果的基础上，讨论了可充电无线传感器网络的动态拓扑问题。在网络中，每个传感器节点在接受WCE能量补给的同时，担任子网络中簇头节点，从附近传感器节点处接收数据，直接传输给WCE通过分析在这种工作模式下，不同状态内不同传感器节点需要满足的约束条件，建立了OPT-1至OPT-4，以及OPT-5(非线性）和OPT-5(线性）一系列优化问题，并阐明了这些优化问题的等优性，通过仿真实验，获得了在动态网络拓扑结构下的动态数据路由及能量补给/数据釆集策略。优化目标值均有20%以上的提升。研究的无线网络覆盖范围内只存在单基站及单一能量补给/数据采集设备。同时，在文中，无线能量补给/数据采集设备回到维护站S后才会将数据传输回数据中心，在一些对数据实时性要求较为苛刻的场合下，该工作模式还有待改进，可以考虑通过公用无线网络，实时地将WCE釆集到的数据传输给数据中心加以分析。

参考文献：

[1]刘小萍.基于图相关理论的无线传感器网络若干拓扑问题研究.2019.

[2]刘浩静,关于可充电无线传感器网络动态拓扑问题研究.2020.