一種面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，包括以下步驟：A.分析體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及路徑信道損耗模型，確定工作模式；B.建立能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型；C.對(duì)能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型進(jìn)行仿真與性能分析。本發(fā)明的有益效果是建立了更符合實(shí)際應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型，通過仿真分析驗(yàn)證了該優(yōu)化分配方法提高了能量效率，得到了最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。
【專利說明】一種面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network, WBAN)中WBAN節(jié)點(diǎn)是隨身攜帶的,有些特殊節(jié)點(diǎn)甚至需要植入人體內(nèi)部，所以WBAN的節(jié)點(diǎn)都需要具備體積小、重量輕、能源有限的特點(diǎn)，而且不容易進(jìn)行頻繁的電池更換。因此節(jié)點(diǎn)的能耗問題一直是研究的核心問題
之一 O
[0003]研究結(jié)果表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)絕大多數(shù)的能量都消耗在無線通信模塊上
[2]，因此優(yōu)化WBAN能耗的重點(diǎn)在于降低通信模塊的能耗。目前針對(duì)WBAN能耗問題采取的主要措施包括高能效MAC層協(xié)議的設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)壓縮，自適應(yīng)功率控制以及資源優(yōu)化分配等。對(duì)于 MAC 層協(xié)議的設(shè)計(jì)，目前有 BSN-MAC[3]，CA-MAC[4]，BodyMAC[5]，MedMAC[6]等協(xié)議，其中[3]和[4]從減少數(shù)據(jù)流量目的出發(fā)對(duì)MAC層協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，而[5]和[6]從減少數(shù)據(jù)沖突方面來對(duì)MAC層協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于數(shù)據(jù)壓縮，是]將壓縮感知理論應(yīng)用到WBAN中，并提出了一種新的分布式壓縮感知重構(gòu)算法，為有效降低節(jié)點(diǎn)功耗提出了一種新的理論方法。有的書中比較了不同壓縮算法下，收發(fā)信機(jī)的能耗，選取線性預(yù)測(cè)編碼作為信源壓縮方法，建立了 WBAN生命周期的線性規(guī)劃模型，并進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)于自適應(yīng)功率控制，有的書中研究了人體在快走，慢走和休息三種情況下，根據(jù)信道質(zhì)量變化進(jìn)行功率控制的方法。有的書中將人體姿勢(shì)運(yùn)動(dòng)利用隨機(jī)線性系統(tǒng)建模，并通過整數(shù)高斯線性二次問題進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析，并基于RF信號(hào)強(qiáng)度給出WBAN中的功率控制模型框架。
[0004]此外，作為一種重要的研究趨勢(shì)，資源優(yōu)化分配是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效傳輸?shù)闹饕緩街弧Ｓ械臅醒芯苛酸槍?duì)大范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中鏈路功率，鏈路流量，路徑資源進(jìn)行了優(yōu)化分配，使得網(wǎng)絡(luò)的生命周期達(dá)到最大。有的書中介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中幾種功率資源分配方法。但是由于WBAN的范圍較小，往往采用單跳星型或雙跳樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此這兩種方法在WBAN并不適用。有的書中以CDMA作為多用戶接入方式，研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的功率、傳輸時(shí)間的資源優(yōu)化分配。但是根據(jù)IEEE802.15.6建議標(biāo)準(zhǔn)，WBAN中主要采用的是TDMA接入機(jī)制。并且該方法的模型是通過迭代算法進(jìn)行求解的，因此得到準(zhǔn)最優(yōu)解。有的書中研究了信道質(zhì)量不同情況下基于WBAN協(xié)調(diào)器和基站之間的發(fā)射功率/速率資源分配方法，該方法僅適用于協(xié)調(diào)器和遠(yuǎn)程基站之間的通信，并不適用WBAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。
[0005]從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀看出，目前資源優(yōu)化分配方法主要針對(duì)的是通用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，適用于無線體域網(wǎng)的方法還比較缺乏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明提供一種面向無線體域網(wǎng)的高能效資源分配優(yōu)化方法，從資源分配角度出發(fā)，以系統(tǒng)能耗和網(wǎng)絡(luò)生命周期為目標(biāo)函數(shù)分別建立了優(yōu)化模型并進(jìn)行求解，從而達(dá)到最優(yōu)化系統(tǒng)能耗效率的目的。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，包括以下步驟:
[0008]A、分析體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及路徑信道損耗模型，確定工作模式；
[0009]B、建立能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型；
[0010]C、將能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型轉(zhuǎn)換為幾何規(guī)劃問題；
[0011]D、對(duì)能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型進(jìn)行仿真與性能分析。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述能耗最小化模型如下:
【權(quán)利要求】
1.一種面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:包括以下步驟: A、分析體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及路徑信道損耗模型，確定工作模式； B、建立能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型； C、將能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型轉(zhuǎn)換為幾何規(guī)劃問題； D、對(duì)能耗最小化模型以及網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型進(jìn)行仿真與性能分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:所述能耗最小化模型如下:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在:所述網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型如下:
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在:所述比特誤碼率BER公式如下:

5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在:所述步驟C中將能耗最小化模型轉(zhuǎn)換為幾何規(guī)劃模型包括以下步驟: Cl、將目標(biāo)函數(shù)中的睡眠功耗改寫成:
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:所述C步驟中將網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型轉(zhuǎn)換為幾何規(guī)劃問題還包括以下步驟: C4:節(jié)點(diǎn)i的網(wǎng)絡(luò)生命周期為:
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟D中對(duì)能耗最小化模型進(jìn)行仿真和性能分析包括以下步驟:D1、用matlab的凸優(yōu)化工具箱CVX來解能耗最小化模型,得到最優(yōu)解: 在matlab仿真中，選取最大節(jié)點(diǎn)數(shù)目為10，節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器的最大距離為2m，根據(jù)路徑損耗模型(步驟A2所示)，選取400MHz頻段，此時(shí)路徑損耗參數(shù)為a=-19.5，b=18.4，δ [dB]=6.8，Pmax=0.1ff, emax=10~ (_6)，Ttotal=0.3s,
Ptotal= [0.1,0.15，0.2,0.25，0.3,0.35，0.4,0.45，0.5,0.55]ff
D=[8,16，64，64，100，200，250，300，1000，1024，1200]bits
d=[100, 200，300，400，500，600，700，800，900，1000]mm Ptotal(i)表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為i時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)總的功率限制，D[l]-D[i]表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目為i時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量要求，d[l]-d[i]表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)為i時(shí)各節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間的距離； D2、比較網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目不同時(shí)，體域網(wǎng)在一個(gè)TDMA幀內(nèi)的總的能耗變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟D中對(duì)網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型進(jìn)行仿真和性能分析還包括以下步驟: D3、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型式(12)，用matlab的凸優(yōu)化工具箱cvx，得到最優(yōu)解； 在matlab仿真中，選取Emax=50J,
Etotal= [50,80,110,140,170, 200, 230, 260, 290, 320] J, Etotal ⑴表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)為 i時(shí)的總能量限制，Efflax表示節(jié)點(diǎn)分配的最大能量限制； D4、在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目變化時(shí)，比較網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化模型得到的生命周期值以及能耗最小化模型后得到的生命周期值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟A包括以下步驟: Al、分析體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； A2、體域網(wǎng)的路徑信道損耗模型為:
PL (d, f) =a*log (d [mm]) +b*log (f [MHZ]) +Ndj f (13) 其中，d為發(fā)射天線與接收天線間的距離，f為所使用的頻率，Nd,f~log-normal (O, δ )為陰影衰落因子，a，b為系數(shù) 當(dāng)頻段確定時(shí)，路徑信道損耗模型改寫成: PL(d)[dB] = a*log(d)+b+N (14)
確定接收端的信干噪比:
10.根據(jù)權(quán)利要求1或9所述面向無線體域網(wǎng)的能量效率優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟A中確定工作模式包括以下步驟: A4:分析各種工作模式的優(yōu)缺點(diǎn)，確定工作模式為TDMA工作模式； A5:分析單個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作模式。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103491566SQ201310408431
【公開日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】張?chǎng)? 張欽宇, 周曉麗, 李偉杰, 李文 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院