劉文華+李澤軍

通訊作者，Email：304152648@qq.com，曾利軍（湖南工學(xué)院計算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，中國 衡陽421002）

摘要為提高傳感器節(jié)點(diǎn)無線射頻能量搜集效率和能量恢復(fù)效果，提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池能量搜集和恢復(fù)策略.該策略在分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下利用供能節(jié)點(diǎn)對搜能節(jié)點(diǎn)處可用無線射頻能量的影響和不同分簇網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制對電池不同狀態(tài)進(jìn)行調(diào)度，去除無用傳輸節(jié)點(diǎn)來提高無線射頻能量搜集效率.在電池能量恢復(fù)方面采用一種改進(jìn)的馬爾科夫模型，根據(jù)電池非線性特性并考慮電池飽和門限狀態(tài)，利用電池的占空期對電池能量進(jìn)行恢復(fù).實(shí)驗結(jié)果表明在電池睡眠時間進(jìn)行能量恢復(fù)與實(shí)際測量電池電量對比分析，電池的恢復(fù)能量與實(shí)際測量值之間相差在5%以內(nèi).另外，實(shí)驗仿真驗證了搜能節(jié)點(diǎn)周圍傳輸能量節(jié)點(diǎn)數(shù)量為5時達(dá)到最佳值，這和理論證明的結(jié)果一致.所提出的分簇結(jié)構(gòu)電池射頻能量搜集和恢復(fù)策略能有效延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期.

關(guān)鍵詞能量搜集;分簇結(jié)構(gòu);通信機(jī)制;占空期

中圖分類號TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號10002537（2015）06005607

The Strategy for Scavenging and Recovering the Battery Energy

Based on Clustering Structure Wireless Sensor Network

LIU Wenhua， LI Zejun*， ZENG Lijun

（School of Computer and Information Science， Hunan Institute of Technology， Hengyang 421002， China）

AbstractIn order to improve the efficiency of ratio frequenly（RF） energy of the sensor nodes in wireless sensor network， a new strategy was proposed to handle the energy scavenging and recovering of battery. Based on a clustering network structure， the strategy utilized the influence of power supply nodes upon the RF energy available in the scavenging energy nodes to schedule different states of the battery. Through this， it was possible to remove useless transmitting nodes and to enhance the efficiency of RF energy. An improved Markov model was put forward to recover the battery power by using battery duty period， based on the nonlinear characteristic of battery and taking its saturate threshold state into account as well. The results showed that the gap between the values of measured energy and the recoveried energy is less than 5%. In addition， that the optimized node number of energy transfer around insearch nodes was found to be 5 by the simulation experiments. The results of the experiment and simulation showed that this new battery energy scavenging and recovering strategy can effectively extend the life cycle of sensor network.

Key wordsenergy scavenging; clustering structure; communication mechanism; duty period

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量供給主要采用電池供電的方式，雖然新能源（如地?zé)崮堋L(fēng)能和太陽能等）對傳感器節(jié)點(diǎn)提供在線充電的功能，但新能源對環(huán)境的要求較高及大規(guī)模高效捕捉能量技術(shù)依然缺乏.因此電池依然是能量供給的主要形式.另外傳感器節(jié)點(diǎn)也可能布置在不易更換電池的環(huán)境中（如深海、火場等）.而傳感器節(jié)點(diǎn)大小被限制而不可能安裝大容量電池，由于電池的損耗可以采用等同電壓的方式進(jìn)行恢復(fù)，因此在線補(bǔ)充電池能量成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn).在現(xiàn)實(shí)自然環(huán)境中，移動通信、射頻、電視廣播信號以及其他發(fā)射頻段所產(chǎn)生的電磁都可作為能量.研究人員正在利用不同能量資源對電池進(jìn)行在線充電以恢復(fù)電池能量.如采用RF（Radio Frequency）能源對電池進(jìn)行無線充電補(bǔ)充，其優(yōu)勢在于對環(huán)境和地理位置無要求以及能源的可控性好.RF能量采集主要由電磁耦合和交變空間磁場等技術(shù)進(jìn)行無線信號傳遞.無線傳感器最重要的生命周期由電池本身能量恢復(fù)程度和能量補(bǔ)充或搜集完成.學(xué)者分別對電池的自我修復(fù)做了大量研究，如Reinisch等[12]采用了馬爾科夫模型并考慮電池飽和門限對電池進(jìn)行恢復(fù)，延長了電池的適用壽命，但該化學(xué)反應(yīng)對自然條件的依賴程度過高，不適用于復(fù)雜的自然環(huán)境.Georgios等提出了一種電池分簇節(jié)能策略[3]，但未考慮能量的搜集.曾利軍等[4]人通過減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸路徑長度和劃分?jǐn)?shù)據(jù)環(huán)方式來降低傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗，但未考慮能量的恢復(fù).目前還沒有將傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量搜集和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)設(shè)計恢復(fù)電池能量兩方面技術(shù)結(jié)合起來研究，本文提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)電池能量搜集和恢復(fù)策略研究.

1RF能量采集設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部電池放電是以非線性方式進(jìn)行的，因此可利用電量存儲設(shè)備對傳感器單元進(jìn)行能量補(bǔ)充來延長傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期，圖1是接收天線接收RF區(qū)域能量，將能量存儲在緩沖電容中，當(dāng)電容能量充足時可提供給傳感器網(wǎng)絡(luò)并通過RFDC轉(zhuǎn)換器將能量傳送到其他節(jié)點(diǎn).

湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報第38卷第6期劉文華等：基于分簇結(jié)構(gòu)的電池射頻能量搜集和恢復(fù)策略假定傳感器節(jié)點(diǎn)服從泊松分布，設(shè)節(jié)點(diǎn)密度為ρ，則在區(qū)域A搜索節(jié)點(diǎn)i的概率可表示為p（i）=（ρA）ie-ρAi?。ㄆ渲笑袮為數(shù)據(jù)傳送速率）.傳感器節(jié)點(diǎn)簇首的通信半徑為RT，節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽半徑設(shè)為RC，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]可以得出RC=2RT.節(jié)點(diǎn)搜能通信半徑設(shè)為RF，則RF=1/2RT，這里計算的RF為搜能節(jié)點(diǎn)與供能節(jié)點(diǎn)之間最小范圍.為簡化模型，這里設(shè)供能和搜能節(jié)點(diǎn)的半徑為RC，如圖2所示，dx為搜能節(jié)點(diǎn)S與供能節(jié)點(diǎn)X之間的距離.由于沖突緣故，同時具有傳輸和可用RF能量的節(jié)點(diǎn)應(yīng)滿足S范圍之內(nèi)和X范圍之外即圖2的灰色C區(qū)域.

圖1傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)搜能框架圖

Fig.1Energycollection frame diagram of sensor network node圖2節(jié)點(diǎn)搜能條件范圍

Fig.2Condition range of energy collection of network node從圖2可以計算搜能節(jié)點(diǎn)S所搜索到的最大能量節(jié)點(diǎn)數(shù)nst為[5]

nst=|2（π-arccosds2RC）π/3|+2， （1）

通過式（1）可以得出nst取得最大值5時的條件為ds=RF=1/4RC.從而可以得出同時具有傳輸和可用RF能量的節(jié)點(diǎn)的最大值為5，更多節(jié)點(diǎn)不能提供RF能量.根據(jù)通信功率的計算公式可計算距離為d節(jié)點(diǎn)的可用RF能量的一般功率為：P（d）=ptdγ，其中κ為常量（κ<1），pt為節(jié)點(diǎn)信號輸出功率，γ為傳輸路徑丟失指數(shù)（2≤γ≤4），設(shè)節(jié)點(diǎn)傳輸集合為Z，通過一般功率的計算可得出搜能節(jié)點(diǎn)在C區(qū)域可用RF能量的總平均功率[5]為

PS=P（dS）+∑i∈z∑min{i，4}j=1P（i）Pij（C）=Ptdγs+∑min{i，4}j=1Ptdγj，

其中dj表示RF供能節(jié)點(diǎn)j與S之間的距離，同理dS表示S與X之間的距離，P（dS）表示X對S所提供的功率.∑i∈z∑min{i，4}j=1P（i）Pij（C）表示從區(qū)域C中所獲得的多個節(jié)點(diǎn)j可用RF功率，其中1≤j≤4，當(dāng)S與區(qū)域C較近時，則搜能節(jié)點(diǎn)S獲得更多的RF能量，但當(dāng)S與X距離越近時，由于退避與干擾的緣故，節(jié)點(diǎn)S所獲得的能量反而越少.同時搜能節(jié)點(diǎn)S在操作時應(yīng)滿足Pgather>Pdeplete即節(jié)點(diǎn)S所獲得的RF能量（記為Pgather）應(yīng)大于S本身的漏電消耗（記為Pdeplete）.為使節(jié)點(diǎn)S獲取的能量最大，這里用Ptr表示X的傳輸概率[6]，設(shè)ξ為S的整流效率.則Pgather通過以下公式進(jìn)行計算.

Pgather=ξPtr∑Rc-εds=εF（ds）PS.

其中F（ds）=2ds/（RF）2，當(dāng)ds=1/4Rc時所得到的ds最少即區(qū)域C的傳輸節(jié)點(diǎn)最多，從而搜能節(jié)點(diǎn)S獲取的能量最大.

2局部馬爾科夫電池調(diào)度策略

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間歇性使用電池可以延長電池的使用壽命.這里主要從電池睡眠狀態(tài)對電池電能恢復(fù)進(jìn)行分析.根據(jù)電池飽和門限條件建立局部馬爾可夫模型并對電池在閑置狀態(tài)下充放電進(jìn)行調(diào)度.在局部馬爾科夫模型中采用了分簇調(diào)度的思想，通信協(xié)議采用TDMA/CSMA數(shù)據(jù)融合多地址接入?yún)f(xié)議.在傳感器分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，簇間和簇內(nèi)采用MAC調(diào)度，從而簡化了傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度和減少了電池預(yù)測調(diào)度復(fù)雜度.

2.1馬爾科夫電池恢復(fù)策略

設(shè)電池的狀態(tài)采用三元組[69]（c，c1，t）表示，其中c為電池出廠時的理論電量，c1為實(shí)際可用電量，t為電池上次使用的時間間隙.通過感知數(shù)據(jù)傳輸來確定電池電能的消耗，在電池空閑狀態(tài)下對電池電量恢復(fù)的過程進(jìn)行建模.設(shè)Mb表示馬爾科夫鏈，其電池初始狀態(tài)為（c，c1，t），則電池轉(zhuǎn)換過程如下：（1）電池的放電狀態(tài)記為s1：狀態(tài)轉(zhuǎn)化可表示為（c，c1，t）→（c-k，c1-k，0），其中k為放電系數(shù)，k≥1，c1-k≥1.則電池轉(zhuǎn)換概率為p（k）=（ρA）ke-ρAk！，其中ρ為節(jié)點(diǎn)密度，其中ρA為數(shù)據(jù)傳送速率.（2）電池完全放電狀態(tài)記為s2：狀態(tài)轉(zhuǎn)化可表示為（c，c1，t）→（c-c1，0，0），則電池轉(zhuǎn)換 概率為∑∞k=np（k）=∑∞k=n（ρA）ke-ρAk！.（3）電池閑置時電量恢復(fù)狀態(tài)記為s3：設(shè)電池恢復(fù)每次為1個單位，其狀態(tài)為（c，c1，t）→（c，c1+1，t+1）.其中c>c1，t<tsat，tsat為電池飽和門限，則電池轉(zhuǎn)換 概率為p（0）=e-ρA.（4）電池閑置時無恢復(fù)狀態(tài)記為s4：其狀態(tài)為（c，c1，t）→（c，c1，t+1），其中c>c1+1或t>tsat-1.電池轉(zhuǎn)換 概率和（3）相同.設(shè)電池期望運(yùn)行時間為A′m（c1），此時Mb狀態(tài)為（c1+m，c1，t），根據(jù)馬爾科夫模型可計算電池期望運(yùn)行時間為

A00（c1）=1+∑c1-1k=0p（k）A00（c1-k），At0（c1）=A00（c1）. （2）

以上計算未考慮電池的恢復(fù)，通過式（2）可以得出當(dāng)電池消耗k單位電量，則電池期望時間為A00（c1-k）+1，若考慮電池放電過程中的飽和門限和電量恢復(fù)則可通過以下公式[10]進(jìn)行計算：

A′m（c1）=1+p（0）At+1m-1（c1+1）+∑c1-1k=1p（k）A0m（c1-k），t<tsat，

1+p（0）Atsatm（c1+∑c1-1k=1p（k）A0m（c1-k），t=tsat. （3）

在遞歸公式（3）中p（0）At+1m-1（c1+1）和∑c1-1k=1p（k）A0m（c1-k）分別為電池電量恢復(fù)和放電時間.通過以上的狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)可得出馬爾科夫鏈Mb的建立狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程.

2.2改進(jìn)馬爾科夫電池恢復(fù)策略

上述所建立的Mb狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為電池存在占空周期，利用電池空閑周期對電池進(jìn)行電量補(bǔ)充，對于無占空周期時本文提出一種局部馬爾科夫電池調(diào)度策略[1112]，其主要思路為利用傳感器感知單元對其收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行感知，將數(shù)據(jù)存放在緩沖區(qū)中并記錄電池電量消耗，設(shè)tdb為電池睡眠空隙，當(dāng)tdb≤tsat且t>tdb-1時將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳送出去.局部馬爾科夫鏈設(shè)為Mdb，其電池狀態(tài)轉(zhuǎn)換定義如下：（1） 電池的放電狀態(tài)記為b1：狀態(tài)轉(zhuǎn)換為（c，c1，0）→（c-k，c1-k，0），k≥1，c1-k≥1.則電池轉(zhuǎn)換概率為p（k）=（ρA）ke-ρAk！.（2）電池完全放電狀態(tài)記為b2：狀態(tài)轉(zhuǎn)化可表示為（c，c1，t′）→（c-c1，0，0），則電池轉(zhuǎn)換概率[13]為∑∞k=c1p（k）=∑∞k=cq（ρA）ke-ρAk！.（3）電池閑置時電量恢復(fù)狀態(tài)記為b3：其狀態(tài)為（c，c1，0）→（c，c1+1，0），若c≥c1+1

（c，c1，0），若c<c1+1.其中c≥c1+1表示可電池可進(jìn)行電量恢復(fù)，反之c<c1+1為電池不可恢復(fù).電池轉(zhuǎn)換概率為p（0）=e-ρA.（4）電池緩沖時狀態(tài)記為b4：狀態(tài)轉(zhuǎn)換為（c，c1，t′）→（c-k，c1-k+1，t′+），若c≥c1+1

（c-k，c1-k，t′+），若c<c1+1 ，其中1≤t′≤tdb，c1-k≥1，t′+為緩沖間隙，其定義為t′+=（t′+1）mod（tdb+1）.電池轉(zhuǎn)換 概率和（1）相同.設(shè)電池期望運(yùn)行時間為Bt′m（c1），此時Mdb狀態(tài)為（c1+m，c1，t′），根據(jù)馬爾科夫模型可計算電池期望運(yùn)行時間為：當(dāng)m=0時Bt′m（c1）=A00（c1）即電池實(shí)際和理論容量一樣無需電量恢復(fù).當(dāng)m>0時則Bt′m（c1）可通過以下進(jìn)行計算：

Bt′m（c1）=1+∑c1-1k=0p（k）Bt′m-1（c1-k+1），0<t′<tdb，

1+p（0）B0m-1（c1+1）+∑c1-1k=1p（k）B1m（c1-k），t=0. （4）

通過式（3）和式（4）比較發(fā)現(xiàn)，帶緩沖區(qū)電池恢復(fù)次數(shù)明顯增加，從而延長了電池的使用壽命.為更直觀進(jìn)行對比，對局部馬爾科夫鏈Mdb的建立狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程如下：

（1）在t′=0時，c=5，c1=3，Mdb狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖3所示，其中b4狀態(tài)從B02（c1）→B11（c1），b2狀態(tài)從B02（c1）→B02（c1）.b3狀態(tài)從B02（c1）→B01（c1）.

（2）在tdb=1，t′=1時，c=4，c1=3，Mdb狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示，初始狀態(tài)從B11（c1）→B00（c1），其他情況狀態(tài)從B00（c1）→B00（c1）.

圖3B02（c1），t′=0Mdb狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖4B11（c1），tdb=1，t′=1Mdb狀態(tài)轉(zhuǎn)換

Fig.3State transition of B02（c1），t′=0MdbFig.4State transition of B11（c1），tdb=1，t′=1Mdb從以上設(shè)計的局部馬爾科夫模型可以得出電池?zé)o論在空閑狀態(tài)或緩沖狀態(tài)都可對其進(jìn)行電能的恢復(fù).該模型忽略電池內(nèi)部自身的化學(xué)反應(yīng)，并在模型中通過感知數(shù)據(jù)單元對電池電能的恢復(fù)，更具有電池實(shí)際操作意義.由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相鄰節(jié)點(diǎn)在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)都要消耗電能，因此需要獲知鄰居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的行為，更好地傳輸和接收數(shù)據(jù).對于網(wǎng)絡(luò)鄰居可用節(jié)點(diǎn)問題將在下節(jié)中采用分簇調(diào)度，利用TDMA/CSMA數(shù)據(jù)融合多地址接入進(jìn)行解決.

3分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電池能量調(diào)度

圖5傳感器分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Fig.5Clustering networks structure of sensor在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[1415]中通信節(jié)點(diǎn)處于平等地位，雖然網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能搜集和捕獲RF能量，但由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)整體耗能過多以及睡眠間隙較少，導(dǎo)致整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期較少.另外，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信可增加睡眠時間，但搜集和捕獲RF能量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代價太高.為使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)搜集和捕獲RF能量以及睡眠時間之間達(dá)到最優(yōu)，采用分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).如圖5所示，在分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，普通節(jié)點(diǎn)一般用于簇內(nèi)之間的通信，因此普通節(jié)點(diǎn)睡眠時間較多，采用馬爾科夫模型在睡眠間隙進(jìn)行電量恢復(fù)來延長其使用壽命.簇首網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅負(fù)責(zé)與普通節(jié)點(diǎn)之間的通信而且還用于兩個簇首之間的通信連接.簇首節(jié)點(diǎn)的能量利用搜集和捕獲RF能量以及外部來提供能量進(jìn)行恢復(fù).從圖可以看出簇首節(jié)點(diǎn)的通信范圍遠(yuǎn)大于普通節(jié)點(diǎn)，一般情況下簇首通信半徑為普通節(jié)點(diǎn)通信半徑1倍以上.

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用多跳方式進(jìn)行通信，在圖5中增加中間簇以實(shí)現(xiàn)多簇傳感器網(wǎng)絡(luò).中間簇節(jié)點(diǎn)不僅要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)而且還要負(fù)責(zé)監(jiān)聽鄰居網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此能量消耗較大.利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)下關(guān)閉射頻，而在活動期間打開射頻的方式來減少能量的消耗.另外鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信采用競爭方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.由于簇首能耗較大，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個協(xié)調(diào)器并預(yù)先分配占空 周期給簇首，在網(wǎng)絡(luò)通信中融合多地址接入和節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)策略從而降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗，該方案在電池能量恢復(fù)或搜集、捕獲RF能量都可采用分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn).

4實(shí)驗數(shù)據(jù)及仿真分析

為驗證傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)搜集RF能量和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池恢復(fù)效果，實(shí)驗采用低能耗的美國柯思博公司TelosB傳感器節(jié)點(diǎn)來驗證電池能量恢復(fù)效果.在TelosB結(jié)構(gòu)中MCU為MSp430，RF能量收發(fā)器為CC2420.在圓形區(qū)域中隨機(jī)部署傳感器節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)通信機(jī)制采用CSMA/CA機(jī)制并對節(jié)點(diǎn)設(shè)置占空比（即節(jié)點(diǎn)活動時間占整個時間的比例）采用VC編程進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

實(shí)驗平臺的搭建：采用IEEE802.15.4TelosBMote的PRO2420CA為實(shí)驗平臺，將數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并采用labVIEW分析電流數(shù)據(jù)變化，從而得出傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池電量恢復(fù)效果.傳感器供電電池為2節(jié)2.4 V鎳氫電池，TelosB RF 能量收發(fā)器在接收能量時的電流為23 mA，閑置狀態(tài)為21 μA，睡眠狀態(tài)為1 μA;MSp430在睡眠模式下為5.1 μA，激活狀態(tài)下為1.8 mA，通過測試網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電池運(yùn)行時間增益來分析電池電量恢復(fù)效果，實(shí)驗測試電池在不同睡眠模式（即模式1：睡眠時間可變和固定時間激活;模式2：睡眠時間固定和可變時間激活）下的時間增益如圖6，7所示.

圖6電池在模式1下的運(yùn)行時間增益

Fig.6Running time gain of battery on mode 1圖7電池在模式2下的運(yùn)行時間增益

Fig.7Running time gain of battery on mode 2圖6，7中圓點(diǎn)表示電池實(shí)際值，線條為采用平滑得到的效果圖.從圖6，7可以看出，電池睡眠時間與電池電量恢復(fù)效果成正比且都為非線性結(jié)構(gòu)，這是由于電池在睡眠狀態(tài)下飽和門限的緣故.從圖7可以得出，在模式2即睡眠時間固定狀態(tài)下，5 s后隨著時間增加增益降低了，從圖6反映電池可在睡眠狀態(tài)進(jìn)行電量恢復(fù)效果較好.下面對分簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置以及搜能節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行實(shí)驗.設(shè)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量為N=ρeR2=10，RT=1/2RC=20 m，設(shè)簇首節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率、傳輸概率以及平臺操作頻率分別為5 dBm，0.3和915 MHz.天線增益設(shè)為1.S處可用RF能量記為pS.

從圖8可以看出接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)位置不用對搜能節(jié)點(diǎn)S的影響很小，從圖2可知發(fā)送節(jié)點(diǎn)在區(qū)域C之內(nèi)，這是由于采用了無握手機(jī)制;另一方面分簇網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)與簇首之間的距離相對較少，因此對搜能節(jié)點(diǎn)的影響很小.

從圖9可以看出當(dāng)供能節(jié)點(diǎn)X與搜能節(jié)點(diǎn)位置越近時其可用RF功率也越高，設(shè)路徑丟失系數(shù)為2，距離為dx時搜能節(jié)點(diǎn)S的可用RF功率為p（ds）∝ptp2s，pt為發(fā)送功率.

圖8接收＼發(fā)送節(jié)點(diǎn)位置不同時S的可用RF能量

Fig.8Available RF energy of S at receiving/sending node position圖9不同供能節(jié)點(diǎn)位置與S的可用RF能量之間的關(guān)系

Fig.9Relation between energysupply node position and available RF energy of S圖10鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)量對RF功率的影響

Fig.10Influence of neighbor nodes quantity on RF power從圖10可以看出搜能節(jié)點(diǎn)S周圍網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)量對RF能量的影響很小即對RF能量增益很小，而實(shí)際情況一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不可能擁有十幾個簇首節(jié)點(diǎn).這與前面所推導(dǎo)出S周圍節(jié)點(diǎn)最多為5一致.

5結(jié)論

傳感器節(jié)點(diǎn)電池使用壽命是制約傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期主要因素之一.本文構(gòu)造了一個傳感器網(wǎng)絡(luò)采集RF能量結(jié)構(gòu)圖，并推導(dǎo)和實(shí)驗驗證了搜能節(jié)點(diǎn)S周圍可用于傳輸能量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最多為5，為提高電池能量恢復(fù)效果提出了一個改進(jìn)的馬爾科夫模型，利用緩沖存儲數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)，增加了電池的睡眠周期，實(shí)驗驗證了在睡眠周期對電池電能恢復(fù)能有效延長電池的使用壽命，在傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上提出了一種分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根據(jù)分簇網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制對電池不同狀態(tài)調(diào)度進(jìn)行能量恢復(fù)并驗證了供能節(jié)點(diǎn)X對搜能節(jié)點(diǎn)S可用RF能量的影響.下一步將研究異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)電池能耗優(yōu)化和恢復(fù)效果.

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