[发明专利]一种鲁棒安全的无线可充电传感器网络中的充电调度方法

说明书

本发明提出一种鲁棒安全的无线可充电传感器网络中的充电调度方法，首先提出了概率性充电模型和电磁辐射模型，并用其来描述其电磁辐射抖动特性，同时，还定义一个设备的充电效用与它的接收功率成比例；然后利用电磁辐射近似和区域离散化技术，把无线可充电传感器网络中鲁棒安全的电能传输问题公式化为经典的二阶锥规划，并提出首个消除二阶锥约束冗余的算法，进而降低计算开销，得到一个(1‑ε)‑近似比的集中式算法；最后提出一个随网络规模可扩展的(1‑ε)‑近似比的分布式算法。本发明首次在无线可充电传感器网络中基于电磁辐射抖动研究无线可充电传感器网络中无线电能传输鲁棒安全的充电问题，软件仿真和实际实验都显示其性能优于比较算法480.19％。

技术领域

本发明涉及无线可充电传感器网络的电能传输领域，更具体的说，是在无线可充电传感器网络中，保证电能传输鲁棒性及安全性的方法。

背景技术

无线可充电传感器网络中的无线电能传输(Wireless Power Transmission)技术是指无线电能传输器通过气隙传递能量到可充电传感器，由于其具有没有布线，可靠而易于维护等优点，这项技术已经在工业界和学术圈都引起了越来越多的关注。然而，无线电能传输通常会产生较高的电磁辐射(Electro Magnetic Radiation)，进而导致人体组织损伤、脑瘤、流产、而且对儿童风险比成人还要高10倍的损害。因此，这是无线电能传输技术的一个关键问题，以避免电磁辐射暴露造成的人类健康损害。

图1显示出，一个无线可充电传感器的传感器节点与现有的一个Powercast 公司生产的TX91501电力发射器测量固定距离在0.5米到1.8米之间时，其充电功率与电磁辐射成正比，但可充电传感器设备接收到的能量并非恒定，而是在一定范围内变化；图2显示了距离为0.9m的充电功率直方图。我们可以看出，充电功率的分布基本上与高斯分布相匹配，安德森-达林测试和柯尔莫诺夫-斯米尔诺夫检验二者的定量评价也进一步支持这种观察结果，而造成以上结果的原因是无线电能传输引起的电磁辐射的抖动现象。本质上，电磁辐射抖动主要是由于多路径传播所引起的衰减效应、障碍物的遮挡等原因，从而，产生的电磁辐射实际是多个拷贝的叠加，因为每一个传输的信号遍历不同的衰减，延迟和相移不同的路径，从而产生正面加强或负面抵消的影响。因此，我们认为大多数现有的无线充电方案保证的传统电磁辐射安全，所谓的确定性电磁辐射安全并非足够，也就是说，任何地方的电磁辐射强度预期都不应超过阈值R_t，因为很可能会有地方电磁辐射超出阈值R_t且相应的概率可以高达50％；传统的方案无法区分不同的抖动振幅和相同的平均值，这两者的利害水平是完全不同的。当然有人可能会说，为什么不把历史上观察到的最大的电磁辐射作为一个新的“最大电磁辐射模型”，并直接使用现有的方案来确保确定性的安全性呢？我们的答案是否定的，首先，由于电磁辐射的概率性，永远不能保证未来最大的电磁辐射不能超过历史上的最大电磁辐射；与之相反，基于建立在历史数据上的概率模型对未来进行预测更为合适。再者，人类瞬时或短期电磁辐射的最大可承受强度比平均可承受的电磁辐射高得多。以欧洲ICNRP标准和《中国规范GB8702-2014》的标准为例，所允许的瞬时电场强度为允许的长期最大值的32倍，因此，偶尔违反传统的电磁辐射阈值是可以接受的。最后，传统解决方案在实际应用中可能过于保守而无法满足实际应用，因为更严格的电磁辐射约束需要功率更低的电能传输器调度方案，从而产生更低的充电效用。因此，为了更好地描述电磁辐射安全程度的概率性质，我们提出概率性电磁辐射安全要求的概念，要求任一点电磁辐射强度不超过阈值R_t的概率不少于某个给定的置信度η(0＜η≤1)。