一种面向无线体域网的能量效率优化方法技术

本发明专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种面向无线体域网的能量效率优化方法，包括以下步骤：A.分析体域网网络特点及路径信道损耗模型，确定工作模式；B.建立能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型；C.对能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型进行仿真与性能分析。本发明专利技术的有益效果是建立了更符合实际应用的网络生命周期最大化模型，通过仿真分析验证了该优化分配方法提高了能量效率，得到了最优的网络生命周期。

【技术实现步骤摘要】
一种面向无线体域网的能量效率优化方法
本专利技术涉及无线通信领域，尤其涉及一种面向无线体域网的能量效率优化方法。
技术介绍
无线体域网(WirelessBodyAreaNetwork，WBAN)中WBAN节点是随身携带的，有些特殊节点甚至需要植入人体内部，所以WBAN的节点都需要具备体积小、重量轻、能源有限的特点，而且不容易进行频繁的电池更换。因此节点的能耗问题一直是研究的核心问题之一。研究结果表明，无线传感器网络节点绝大多数的能量都消耗在无线通信模块上[2]，因此优化WBAN能耗的重点在于降低通信模块的能耗。目前针对WBAN能耗问题采取的主要措施包括高能效MAC层协议的设计，数据压缩，自适应功率控制以及资源优化分配等。对于MAC层协议的设计，目前有BSN-MAC[3]，CA-MAC[4]，BodyMAC[5]，MedMAC[6]等协议，其中[3]和[4]从减少数据流量目的出发对MAC层协议进行设计，而[5]和[6]从减少数据冲突方面来对MAC层协议进行设计。对于数据压缩，是]将压缩感知理论应用到WBAN中，并提出了一种新的分布式压缩感知重构算法，为有效降低节点功耗提出了一种新的理论方法。有的书中比较了不同压缩算法下，收发信机的能耗，选取线性预测编码作为信源压缩方法，建立了WBAN生命周期的线性规划模型，并进行了优化。对于自适应功率控制，有的书中研究了人体在快走，慢走和休息三种情况下，根据信道质量变化进行功率控制的方法。有的书中将人体姿势运动利用随机线性系统建模，并通过整数高斯线性二次问题进行预测和分析，并基于RF信号强度给出WBAN中的功率控制模型框架。此外，作为一种重要的研究趋势，资源优化分配是无线传感器网络高效传输的主要途径之一。有的书中研究了针对大范围的无线传感器网络中链路功率，链路流量，路径资源进行了优化分配，使得网络的生命周期达到最大。有的书中介绍了无线传感器网络中几种功率资源分配方法。但是由于WBAN的范围较小，往往采用单跳星型或双跳树形网络结构，因此这两种方法在WBAN并不适用。有的书中以CDMA作为多用户接入方式，研究了无线传感器网络中的功率、传输时间的资源优化分配。但是根据IEEE802.15.6建议标准，WBAN中主要采用的是TDMA接入机制。并且该方法的模型是通过迭代算法进行求解的，因此得到准最优解。有的书中研究了信道质量不同情况下基于WBAN协调器和基站之间的发射功率／速率资源分配方法，该方法仅适用于协调器和远程基站之间的通信，并不适用WBAN网络内部。从国内外研究现状看出，目前资源优化分配方法主要针对的是通用的无线传感器网络，适用于无线体域网的方法还比较缺乏。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本专利技术提供一种面向无线体域网的高能效资源分配优化方法，从资源分配角度出发，以系统能耗和网络生命周期为目标函数分别建立了优化模型并进行求解，从而达到最优化系统能耗效率的目的。本专利技术采取的技术方案为提供一种面向无线体域网的能量效率优化方法，包括以下步骤：A、分析体域网网络拓扑结构及路径信道损耗模型，确定工作模式；B、建立能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型；C、将能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型转换为几何规划问题；D、对能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型进行仿真与性能分析。作为本专利技术的进一步改进，所述能耗最小化模型如下：其中，Pi表示节点i的发射功率，Ti表示节点i的数据传输时间，Ps表示节点处于睡眠状态时的功率，Tsi表示节点i的睡眠时间，Pmax表示节点的最大发射功率，Ptotal表示网络中允许的最大功率和，Ttotal表示一帧的最大长度，D(i)表示节点i要传输的数据量，Ri表示节点i的数据传输速率，G表示链路的信道增益，N0表示噪声功率谱密度，emax为网络允许的最大比特误码率BER要求；模型(1)中变量为Pi，Ri，Ti，目标函数表示最小化一帧内网络内所有节点的总能耗考虑到辐射对人体的影响以及节点硬件特点，条件1)表示节点i的最大发射功率的限制；条件2)表示网络内所有节点最大功率和的限制；条件3)表示一帧的最大时间限制，是由业务的实时性要求决定的，Ttotal取值为所有业务中的最小时延要求。条件4)表示一帧内各个节点吞吐量的要求。条件5)表示节点传输数据的最大比特误码率限制。作为本专利技术的进一步改进，所述网络生命周期最大化模型如下：式中：Ei为第i个节点所分配的能量，L为网络生命周期，Etotal为多个节点所分配的能量和，B为信道带宽。作为本专利技术的进一步改进，所述比特误码率BER公式如下：其中，Eb为传输一个比特信息所需的能量。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤C中将能耗最小化模型转换为几何规划模型包括以下步骤：C1、将目标函数中的睡眠功耗改写成：C2、将能耗最小化模型(1)中的条件5)改写成：对式(5)进行求解，令γ=(erfc-1(2*emax))2，可得C3、根据上述条件，将能耗最小化模型转换成几何规划问题：作为本专利技术的进一步改进，所述C步骤中将网络生命周期最大化模型转换为几何规划问题还包括以下步骤，C42：节点i的生命周期为：由于节点处于睡眠状态时的功耗非常的小，所以可以忽略睡眠时的能耗，因此，式(8)转换成：式中，Li引表示节点i的生命周期；C5：拥有n个节点的WBAN网络的生命周期为：L=mini∈nLi(10)C6：引入一个辅助变量t，对目标函数(10)进行变换，则mini∈nLi可以写成Li≥t，目标函数变换成一个目标函数和一个约束条件的形式：maxi∈ntsubjecttoLi≥t(11)而maxi∈nt又可以写成mini∈nt-1，C7：根据上述条件，将网络生命周期最大化模型(2)转换为几何规划问题：作为本专利技术的进一步改进，：所述步骤D中对能耗最小化模型进行仿真和性能分析包括以下步骤：D1、用matlab的凸优化工具箱cvx来解能耗最小化模型，得到最优解；在matlab仿真中，选取最大节点数目为10，节点到协调器的最大距离为2m，根据路径损耗模型(步骤A2所示)，选取400MHz频段，此时路径损耗参数为a=-19.5，b=18.4，δ[dB]=6.8，Pmax=0.1W，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]WD=[8，16，64，64，100,200,250,300,1000,1024,1200]bitsd=[100，200,300,400,500,600,700,800,900,1000]mmPtotal(i)表示网络中节点数为i时，网络内总的功率限制，D[1]-D[i]表示网络中节点数目为i时各个节点的数据量要求，d[1]-d[i]表示网络内节点数为i时各节点与协调器间的距离；D2、比较网络中节点数目不同时，体域网在一个TDMA帧内的总的能耗变化。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤D中对网络生命周期最大化模型进行仿真和性能分析还包括以下步骤：D3、根据网络生命周期最大化模型式(12)，用matlab的凸优化工具箱cvx，得到最优解；在matlab仿真中，选取Emax=50J，Etotal=[50,80,11本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种面向无线体域网的能量效率优化方法，其特征在于：包括以下步骤：A、分析体域网网络拓扑结构及路径信道损耗模型，确定工作模式；B、建立能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型；C、将能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型转换为几何规划问题；D、对能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型进行仿真与性能分析。

【技术特征摘要】
1.一种面向无线体域网的能量效率优化方法，其特征在于：包括以下步骤：A、分析体域网网络拓扑结构及路径信道损耗模型，确定工作模式；B、建立能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型；所述能耗最小化模型如下：subjectto1)0<Pi≤Pmax2)3)4)Ri*Ti≥D(i)5)其中，Pi表示节点i的发射功率，Ti表示节点i的数据传输时间，Ps表示节点处于睡眠状态时的功率，Tsi表示节点i的睡眠时间，Pmax表示节点的最大发射功率，Ptotal表示网络中允许的最大功率和，Ttotal表示一帧的最大长度，D(i)表示节点i要传输的数据量，Ri表示节点i的数据传输速率，G表示链路的信道增益，N0表示噪声功率谱密度，emax为网络允许的最大比特误码率BER要求，n为在一个TDMA帧内有n个节点进行数据传输；C、将能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型转换为几何规划问题；D、对能耗最小化模型以及网络生命周期最大化模型进行仿真与性能分析。2.根据权利要求1所述面向无线体域网的能量效率优化方法，其特征在：所述网络生命周期最大化模型如下：maxi∈nLsubjectto1)0<Ei≤Emax2)3)0<Pi≤Pmax4)5)6)Ri*Ti≥D(i)7)式中：Ei为第i个节点所分配的能量，L为网络生命周期，Etotal为多个节点所分配的能量和，B为信道带宽，Emax表示节点分配的最大能量限制。3.根据权利要求2所述面向无线体域网的能量效率优化方法，其特征在：所述比特误码率BER公式如下：其中，Eb为传输一个比特信息所需的能量。4.根据权利要求2所述面向无线体域网的能量效率优化方法，其特征在：所述步骤C中将能耗最小化模型转换为几何规划模型包括以下步骤：C1、将能耗最小化模型的目标函数中的睡眠功耗改写成：式中，Tj表示节点j的数据传输时间；C2、将能耗最小化模型的公式(1)中的条件5)改写成：对式(5)进行求解，令γ＝(erfc-1(2*emax))2，可得C3、根据上述条件，将能耗最小化模型转换成几何规划问题：subjecttoPi>0D(i)*Ri-1*Ti-1≤1Pi1表达对Pi的一次方，Ti1表示Ti的一次方，Ri1表示Ri的一次方，Ri-1表示Ri的负一次方，Ti-1表示Ti的负一次方，Pi-1表示对Pi的负一次方。5.根据权利要求4所述的面向无线体域网的能量效率优化方法，其特征在于：所述C步骤中将网络生命周期最大化模型转换为几何规划问题还包括以下步骤：C4：节点i的网络生命周期为：由于节点处于睡眠状态时的功耗非常的小，所以可以忽略睡眠时的能耗，因此，式(8)转换成：式中，Li表示节点i的生命周期；C5：拥有n个节点的WBAN网络的生命周期为：L＝mini∈nLi(10)C6：引入一个辅助变量t，对目标函数(10)进行变换，则mini∈nLi可以写成Li≥t，目标函数变换成一个目标函数和一个约束条件的形式：maxi∈ntsubjecttoLi≥t(11)而maxi∈nt又可以写成mini∈nt-1，t-1为t的-1次方；C7:根据上述条件，将网络生命周期最大化模型的公式(2)转换为几何规划问题：mini∈nt-1subjecttot1*Pi1*T1i*Ei-1≤1Pi>0Ei>0D(i)*Ri-1*Ti-1≤1Emax表示节点分配的最大能量限制，Pi1表示Pi的一次方，Ti1表示Ti的一次方；Ei1表示对Ei的一次方。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：张霆廷，张钦宇，周晓丽，李伟杰，李文，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：