Page 251 - 《软件学报》2021年第9期

钟萍 等:一种高效低能耗移动数据采集与无线充电策略 2875

传感器节点
8 9 10
7
锚点
14
3 2 11
4
6
1
5
1 DCV
1
13
16
17

Fig.5 Sample diagram of network data transmission
图 5 网络数据传输示例图

4 网络能耗优化问题

在确定了网络子区域、锚点以及 DCV 的移动路径后,本文的下一步工作是当 DCV 移动在各个锚点处时,
如何在收集传感器节点数据的同时,最小化网络能量消耗.本节首先介绍单个传感器节点的能量消耗模型,随后
将数据收集性能优化问题定义为最小化网络能量消耗问题.根据传感器节点的能耗模型和节点数据传输路径,
使用对偶理论和梯度法等方法求得最优节点数据感知率和链路传输率.当 DCV 完成一轮数据收集过程后,本文
策略将根据上一轮中节点剩余电池能量重新选定子区域锚点,通过优化函数再次计算最优节点感知率和链路
率,以实现最优网络性能.
4.1 感知及数据传输能耗
e s ,e r 和 e t 分别表示传感器节点感知、接收和发送单位数据所需消耗的平均能量.本文中设定的传感器节点
之间的路由为静态路由.节点感知的数据只能按照特定的路线发送,因此,节点感知,接收和发送数据能耗均可
用常数表示.通常情况下,传感器节点感知和传输数据占据了节点的大部分能量消耗,因此,本文中只考虑节点
在感知、传输和接收状态下的能量消耗,不考虑在其他状态下消耗的能量.
a
r 表示当 DCV 停留在锚点 a 处时,传感器节点 i 的数据感知率.当 DCV 停留在锚点 a 处时,该节点从其他
i
a
子节点接收的数据率之和为 R :
i
R i a = ∑ gC , ia f gi a (6)
∈
a
其中, f 表示当 DCV 停留在锚点 a 处时,物理链路(g,i)的链路率.C i,a 表示当 DCV 停留在锚点 a 处时,节点 i 的
gi
子节点集合.同理,P i,a 表示当 DCV 停留在锚点 a 处时,节点 i 的父节点集合.当 DCV 停留在锚点 a 处时,传感器
a
节点 i 需要发送的数据率之和为 T :
i
a
T = i a r + i a R = i ∑ jP . ia f ij a (7)
∈
由于上述操作需要在极短的时间内完成,那么当 DCV 停留在锚点 a 处时,传感器节点 i 的能耗为
P = a (e + e )r + a (e + e )R = a e r + a e t∑ f + a e r∑ f a (8)
∈
∈
i s t i r t i s i jP . ia ij g C , i a gi
由上式可知,当 DCV 停留在锚点 a 处时,传感器节点 i 的能量消耗按照数据源可分为两部分:节点感知和传
输自身数据所消耗的能量、接收和感知其他节点的数据所消耗的能量.由于网络中物理链路率动态变化,为了
表示传输和接收数据的链路率,本文将能量消耗分为 3 部分:传感器节点感知能耗、传输数据能耗和接收数据
能量消耗.