基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線體域網(wǎng)資源分配技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能 效優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線體域網(wǎng)（WirelessBodyAreaNetwork,WBAN)是一種以人體為中心，由若干 個無線傳感器節(jié)點和一個或多個協(xié)調(diào)器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠通過置于人體周圍或人體內(nèi)部的 各種傳感器節(jié)點對人體的一些重要生理參數(shù)進行感知和采集，繼而通過無線及有線方式發(fā) 送至遠端服務(wù)器，實現(xiàn)對人體健康狀態(tài)的有效監(jiān)控。WBAN因其攜帶便捷、易于數(shù)據(jù)交互管 理，近年來受到廣泛關(guān)注，已被應(yīng)用于軍事、娛樂、消費電子、智能家居、公共服務(wù)、尤其是醫(yī) 療保健等領(lǐng)域。
[0003]在WBAN實際應(yīng)用中，由于WBAN直接部署在人體內(nèi)或體表，由人體隨身攜帶，因此， 當(dāng)人體處于人口密度較為密集的環(huán)境可能出現(xiàn)多個WBAN重疊覆蓋場景。由于可用時隙、頻 譜資源有限，多個WBAN間可能產(chǎn)生網(wǎng)間干擾，導(dǎo)致節(jié)點傳輸性能受到嚴(yán)重影響。對于能量 受限的WBAN，如何通過設(shè)計高效的功率分配及時隙調(diào)度算法，降低或避免網(wǎng)間干擾，實現(xiàn)各 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)腝oS保障具有重要研宄意義。
[0004] 目前已有研宄考慮通過調(diào)整協(xié)調(diào)器的傳輸時隙及調(diào)度協(xié)調(diào)器休眠來提高WBAN的 能量效率。例如，有人針對多個體域網(wǎng)共同覆蓋，彼此干擾的應(yīng)用場景，提出若某網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 器工作在獨占訪問階段EAP(exclusiveaccessphase)，則其他網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器應(yīng)進行休眠； 針對某時隙多個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點同時傳輸，為避免干擾，提出優(yōu)先級低的節(jié)點停止傳輸，進入休 眠狀態(tài)；也有人針對多個體域網(wǎng)主節(jié)點（協(xié)調(diào)器）傳輸時隙相同、存在干擾的應(yīng)用場景，提 出各主節(jié)點交換控制信息，對存在干擾的時隙進行重新調(diào)整；主節(jié)點不發(fā)送信息時，可進行 休眠狀態(tài)以節(jié)約能量。
[0005]現(xiàn)有研宄較為孤立地考慮存在多個體域網(wǎng)共同覆蓋下調(diào)度協(xié)調(diào)器的傳輸及休眠 時隙，未綜合考慮各節(jié)點的時隙、功率分配及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸效率，難以兼顧用戶QoS保障及 網(wǎng)絡(luò)資源的聯(lián)合優(yōu)化，無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體性能優(yōu)化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法， 該方法給定各節(jié)點功率初始值，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器基于各節(jié)點傳輸及干擾特性，確定節(jié)點獨立集； 進而基于節(jié)點獨立集能效優(yōu)化，確定局部最優(yōu)功率分配方案；重復(fù)上述步驟，直到獨立集確 定及功率分配策略滿足收斂條件，得到節(jié)點獨立集及功率優(yōu)化分配方案，從而實現(xiàn)節(jié)點QoS 保障及網(wǎng)絡(luò)資源高效利用。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0008]一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，在該方法中，多個體域網(wǎng)共存網(wǎng)絡(luò) 場景中，體域網(wǎng)中各節(jié)點以幀為單位進行業(yè)務(wù)請求及信息傳輸，各幀傳輸時間劃分為業(yè)務(wù) 請求階段和信息傳輸階段；業(yè)務(wù)請求階段體域網(wǎng)協(xié)調(diào)器收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點業(yè)務(wù)需求，各協(xié)調(diào) 器匯總節(jié)點業(yè)務(wù)需求信息后，確定節(jié)點獨立集并分配發(fā)送功率。
[0009] 進一步，該方法具體包括以下步驟：
[0010] 步驟一：給定各節(jié)點功率初始值，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器基于各時隙傳輸及干擾特性，確定各 節(jié)點獨立集，建立各節(jié)點與獨立集的候選匹配方案；
[0011] 步驟二：基于各節(jié)點獨立集能效優(yōu)化，確定局部最優(yōu)功率分配方案；
[0012] 步驟三：重復(fù)上述步驟，直到滿足收斂條件，得到節(jié)點獨立集及功率優(yōu)化分配方 案，從而實現(xiàn)節(jié)點QoS保障及網(wǎng)絡(luò)資源高效利用。
[0013] 進一步，不同網(wǎng)絡(luò)中滿足干擾限定條件的多個節(jié)點可占用相同時隙進行數(shù)據(jù)傳 輸；
[0014] 即假設(shè)網(wǎng)絡(luò)叫及m2中協(xié)調(diào)器分別為CC2，時隙t，nii中節(jié)點ii傳輸至Cp1112中 的節(jié)點i2傳輸至c2，若(^及c2處的信干噪比滿足ex，d,其中， <，C分別為協(xié)調(diào)器c#c2處的最小信干噪比門限值，則節(jié)點i及i2可占用同一時隙t進行傳輸。
[0015] 進一步，協(xié)調(diào)器根據(jù)各節(jié)點吞吐量業(yè)務(wù)需求確定各節(jié)點初始傳輸功率限定條件； 假設(shè)體域網(wǎng)鏈路帶寬為B，體域網(wǎng)m中節(jié)點i的吞吐量為R^，應(yīng)用香農(nóng)公式可得：
[0016]
【主權(quán)項】
1. 一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于：在該方法中，多個體域 網(wǎng)共存網(wǎng)絡(luò)場景中，體域網(wǎng)中各節(jié)點以幀為單位進行業(yè)務(wù)請求及信息傳輸，各幀傳輸時間 劃分為業(yè)務(wù)請求階段和信息傳輸階段；業(yè)務(wù)請求階段體域網(wǎng)協(xié)調(diào)器收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點業(yè)務(wù)需 求，各協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點業(yè)務(wù)需求信息后，確定節(jié)點獨立集并分配發(fā)送功率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于： 該方法具體包括以下步驟： 步驟一：給定各節(jié)點功率初始值，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器基于各時隙傳輸及干擾特性，確定各節(jié)點 獨立集，建立各節(jié)點與獨立集的候選匹配方案； 步驟二：基于各節(jié)點獨立集能效優(yōu)化，確定局部最優(yōu)功率分配方案； 步驟三：重復(fù)上述步驟，直到滿足收斂條件，得到節(jié)點獨立集及功率優(yōu)化分配方案，從 而實現(xiàn)節(jié)點QoS保障及網(wǎng)絡(luò)資源高效利用。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于： 不同網(wǎng)絡(luò)中滿足干擾限定條件的多個節(jié)點可占用相同時隙進行數(shù)據(jù)傳輸； 即假設(shè)網(wǎng)絡(luò)叫及m 2中協(xié)調(diào)器分別為C C 2，時隙t，Hi1中節(jié)點i i傳輸至C i，m2中的節(jié) 點i2傳輸至C2，若C#C2處的信干噪比，心^滿足沁義><，7以 ，其中，< , 分別為協(xié)調(diào)器(^及C 2處的最小信干噪比門限值，則節(jié)點i i 2可占用同一時隙t進行 傳輸。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于： 協(xié)調(diào)器根據(jù)各節(jié)點吞吐量業(yè)務(wù)需求確定各節(jié)點初始傳輸功率限定條件；假設(shè)體域網(wǎng)鏈路帶 寬為B，體域網(wǎng)m中節(jié)點i的吞吐量為R i ni，應(yīng)用香農(nóng)公式可得：
，其中，h^，（〇 i D1)2分別為體域網(wǎng)m中節(jié)點i 至協(xié)調(diào)器鏈路的信道增益及接收端噪聲功率，m = 1，2,.. .M，i = 1，2, 一,Nm，其中，M為體 域網(wǎng)總數(shù)，Nm為第m個體域網(wǎng)中節(jié)點總數(shù)，令該節(jié)點最小吞吐量需求為，根據(jù)節(jié)點業(yè)務(wù) 吞吐量需求，可得尺,WT。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于： 給定各體域網(wǎng)節(jié)點傳輸功率，根據(jù)各節(jié)點傳輸及干擾特性，確定無線體域網(wǎng)節(jié)點獨立集，具 體包括：定義節(jié)點獨立集為： D = [D(1)，D⑵，...D(l)]t， 其中，L為獨立集數(shù)目，
為第1個獨 立集矢量標(biāo)識，I < I < L，其中，e !〇,1!為第m個體域網(wǎng)中第i個節(jié)點獨立集分配標(biāo)識， m = 1，2,. . . M，i = 1，2,…，Nm，4(,1! =1表示第m個體域網(wǎng)中節(jié)點i位于第1個獨立集。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在 于：建模各獨立集節(jié)點能效為該獨立集內(nèi)各節(jié)點吞吐量之和與功率消耗之和的比值，即 第1個獨立集上的能效定義為
其中，R(1)為第1個獨立集各節(jié)點吞吐量之和，
其中，_為第1個獨立集中第m個體域網(wǎng)第i個節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)至協(xié) 調(diào)器的吞吐量；P(1)為第1個獨立集內(nèi)各節(jié)點消耗功率之和，
其中， 為第1個獨立集中第m個體域網(wǎng)第i個節(jié)點在傳輸數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器的傳輸功率，定義體域網(wǎng) 中節(jié)點功率分配矩陣為：
獨立集1中第m個體域網(wǎng)中節(jié)點i在的功率分配矢量，I < m < M。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于： 給定節(jié)點獨立集匹配策略D(1)，計算各獨立集能效η (Ρα))，在滿足節(jié)點最小速率需求條件 下基于各獨立集能效最大化準(zhǔn)則求解局部最優(yōu)節(jié)點功率分配矩陣P*= arg max τι (Ρ (1))。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，其特征在于： 迭代執(zhí)行節(jié)點獨立集匹配及功率分配，若第1個獨立集第t次功率分配矢量為：
，對應(yīng)獨立集分配策略為：
執(zhí)行第t+Ι次迭代，判斷是否 滿足收斂條件：
其中，ε為收斂門限，若滿足，則 CJ+1)，<(;?+η即為體域網(wǎng)m中節(jié)點i的最優(yōu)獨立集及功率分配方案，算法結(jié)束，否則，重復(fù)上 述過程，直到滿足收斂條件為止。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于獨立集的無線體域網(wǎng)能效優(yōu)化方法，屬于無線體域網(wǎng)資源分配技術(shù)領(lǐng)域。在該方法中，體域網(wǎng)中各節(jié)點以幀為單位進行業(yè)務(wù)請求及信息傳輸，各幀傳輸時間劃分為業(yè)務(wù)請求階段和信息傳輸階段；業(yè)務(wù)請求階段體域網(wǎng)協(xié)調(diào)器收集網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點業(yè)務(wù)需求，各協(xié)調(diào)器匯總節(jié)點業(yè)務(wù)需求信息后，確定節(jié)點獨立集并分配發(fā)送功率，具體步驟為：1)給定各節(jié)點功率初始值，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器基于各時隙傳輸及干擾特性，確定各節(jié)點獨立集，建立各節(jié)點與獨立集的候選匹配方案；2)基于各節(jié)點獨立集能效優(yōu)化，確定局部最優(yōu)功率分配方案；3)重復(fù)上述步驟，直到滿足收斂條件，得到節(jié)點獨立集及功率優(yōu)化分配方案，從而實現(xiàn)節(jié)點QoS保障及網(wǎng)絡(luò)資源高效利用。
【IPC分類】H04W84-18, H04W52-04
【公開號】CN104540203
【申請?zhí)枴緾N201510000959
【發(fā)明人】陳前斌, 王盼盼, 柴蓉, 黃崢, 陳玉梅
【申請人】重慶郵電大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月4日