基于獨立集的無線體域網能效優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于無線體域網資源分配技術領域，涉及一種基于獨立集的無線體域網能 效優化方法。
【背景技術】
[0002] 無線體域網（WirelessBodyAreaNetwork,WBAN)是一種以人體為中心，由若干 個無線傳感器節點和一個或多個協調器構成的網絡，能夠通過置于人體周圍或人體內部的 各種傳感器節點對人體的一些重要生理參數進行感知和采集，繼而通過無線及有線方式發 送至遠端服務器，實現對人體健康狀態的有效監控。WBAN因其攜帶便捷、易于數據交互管 理，近年來受到廣泛關注，已被應用于軍事、娛樂、消費電子、智能家居、公共服務、尤其是醫 療保健等領域。
[0003]在WBAN實際應用中，由于WBAN直接部署在人體內或體表，由人體隨身攜帶，因此， 當人體處于人口密度較為密集的環境可能出現多個WBAN重疊覆蓋場景。由于可用時隙、頻 譜資源有限，多個WBAN間可能產生網間干擾，導致節點傳輸性能受到嚴重影響。對于能量 受限的WBAN，如何通過設計高效的功率分配及時隙調度算法，降低或避免網間干擾，實現各 網絡節點傳輸的QoS保障具有重要研宄意義。
[0004] 目前已有研宄考慮通過調整協調器的傳輸時隙及調度協調器休眠來提高WBAN的 能量效率。例如，有人針對多個體域網共同覆蓋，彼此干擾的應用場景，提出若某網絡協調 器工作在獨占訪問階段EAP(exclusiveaccessphase)，則其他網絡的協調器應進行休眠； 針對某時隙多個網絡的節點同時傳輸，為避免干擾，提出優先級低的節點停止傳輸，進入休 眠狀態；也有人針對多個體域網主節點（協調器）傳輸時隙相同、存在干擾的應用場景，提 出各主節點交換控制信息，對存在干擾的時隙進行重新調整；主節點不發送信息時，可進行 休眠狀態以節約能量。
[0005]現有研宄較為孤立地考慮存在多個體域網共同覆蓋下調度協調器的傳輸及休眠 時隙，未綜合考慮各節點的時隙、功率分配及網絡數據傳輸效率，難以兼顧用戶QoS保障及 網絡資源的聯合優化，無法實現網絡整體性能優化。
【發明內容】
[0006]有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法， 該方法給定各節點功率初始值，網絡協調器基于各節點傳輸及干擾特性，確定節點獨立集； 進而基于節點獨立集能效優化，確定局部最優功率分配方案；重復上述步驟，直到獨立集確 定及功率分配策略滿足收斂條件，得到節點獨立集及功率優化分配方案，從而實現節點QoS 保障及網絡資源高效利用。
[0007]為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
[0008]一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，在該方法中，多個體域網共存網絡 場景中，體域網中各節點以幀為單位進行業務請求及信息傳輸，各幀傳輸時間劃分為業務 請求階段和信息傳輸階段；業務請求階段體域網協調器收集網絡內節點業務需求，各協調 器匯總節點業務需求信息后，確定節點獨立集并分配發送功率。
[0009] 進一步，該方法具體包括以下步驟：
[0010] 步驟一：給定各節點功率初始值，網絡協調器基于各時隙傳輸及干擾特性，確定各 節點獨立集，建立各節點與獨立集的候選匹配方案；
[0011] 步驟二：基于各節點獨立集能效優化，確定局部最優功率分配方案；
[0012] 步驟三：重復上述步驟，直到滿足收斂條件，得到節點獨立集及功率優化分配方 案，從而實現節點QoS保障及網絡資源高效利用。
[0013] 進一步，不同網絡中滿足干擾限定條件的多個節點可占用相同時隙進行數據傳 輸；
[0014] 即假設網絡叫及m2中協調器分別為CC2，時隙t，nii中節點ii傳輸至Cp1112中 的節點i2傳輸至c2，若(^及c2處的信干噪比滿足ex，d,其中， <，C分別為協調器c#c2處的最小信干噪比門限值，則節點i及i2可占用同一時隙t進行傳輸。
[0015] 進一步，協調器根據各節點吞吐量業務需求確定各節點初始傳輸功率限定條件； 假設體域網鏈路帶寬為B，體域網m中節點i的吞吐量為R^，應用香農公式可得：
[0016]
【主權項】
1. 一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于：在該方法中，多個體域 網共存網絡場景中，體域網中各節點以幀為單位進行業務請求及信息傳輸，各幀傳輸時間 劃分為業務請求階段和信息傳輸階段；業務請求階段體域網協調器收集網絡內節點業務需 求，各協調器匯總節點業務需求信息后，確定節點獨立集并分配發送功率。
2. 根據權利要求1所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于： 該方法具體包括以下步驟： 步驟一：給定各節點功率初始值，網絡協調器基于各時隙傳輸及干擾特性，確定各節點 獨立集，建立各節點與獨立集的候選匹配方案； 步驟二：基于各節點獨立集能效優化，確定局部最優功率分配方案； 步驟三：重復上述步驟，直到滿足收斂條件，得到節點獨立集及功率優化分配方案，從 而實現節點QoS保障及網絡資源高效利用。
3. 根據權利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于： 不同網絡中滿足干擾限定條件的多個節點可占用相同時隙進行數據傳輸； 即假設網絡叫及m 2中協調器分別為C C 2，時隙t，Hi1中節點i i傳輸至C i，m2中的節 點i2傳輸至C2，若C#C2處的信干噪比，心^滿足沁義><，7以 ，其中，< , 分別為協調器(^及C 2處的最小信干噪比門限值，則節點i i 2可占用同一時隙t進行 傳輸。
4. 根據權利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于： 協調器根據各節點吞吐量業務需求確定各節點初始傳輸功率限定條件；假設體域網鏈路帶 寬為B，體域網m中節點i的吞吐量為R i ni，應用香農公式可得：
，其中，h^，（〇 i D1)2分別為體域網m中節點i 至協調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 域網總數，Nm為第m個體域網中節點總數，令該節點最小吞吐量需求為，根據節點業務 吞吐量需求，可得尺,WT。
5. 根據權利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于： 給定各體域網節點傳輸功率，根據各節點傳輸及干擾特性，確定無線體域網節點獨立集，具 體包括：定義節點獨立集為： D = [D(1)，D⑵，...D(l)]t， 其中，L為獨立集數目，
為第1個獨 立集矢量標識，I < I < L，其中，e !〇,1!為第m個體域網中第i個節點獨立集分配標識， m = 1，2,. . . M，i = 1，2,…，Nm，4(,1! =1表示第m個體域網中節點i位于第1個獨立集。
6. 根據權利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在 于：建模各獨立集節點能效為該獨立集內各節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個獨立集各節點吞吐量之和，
其中，_為第1個獨立集中第m個體域網第i個節點傳輸數據至協 調器的吞吐量；P(1)為第1個獨立集內各節點消耗功率之和，
其中， 為第1個獨立集中第m個體域網第i個節點在傳輸數據至協調器的傳輸功率，定義體域網 中節點功率分配矩陣為：
獨立集1中第m個體域網中節點i在的功率分配矢量，I < m < M。
7. 根據權利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于： 給定節點獨立集匹配策略D(1)，計算各獨立集能效η (Ρα))，在滿足節點最小速率需求條件 下基于各獨立集能效最大化準則求解局部最優節點功率分配矩陣P*= arg max τι (Ρ (1))。
8. 根據權利要求2所述的一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，其特征在于： 迭代執行節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：
，對應獨立集分配策略為：
執行第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m中節點i的最優獨立集及功率分配方案，算法結束，否則，重復上 述過程，直到滿足收斂條件為止。
【專利摘要】本發明涉及一種基于獨立集的無線體域網能效優化方法，屬于無線體域網資源分配技術領域。在該方法中，體域網中各節點以幀為單位進行業務請求及信息傳輸，各幀傳輸時間劃分為業務請求階段和信息傳輸階段；業務請求階段體域網協調器收集網絡內節點業務需求，各協調器匯總節點業務需求信息后，確定節點獨立集并分配發送功率，具體步驟為：1)給定各節點功率初始值，網絡協調器基于各時隙傳輸及干擾特性，確定各節點獨立集，建立各節點與獨立集的候選匹配方案；2)基于各節點獨立集能效優化，確定局部最優功率分配方案；3)重復上述步驟，直到滿足收斂條件，得到節點獨立集及功率優化分配方案，從而實現節點QoS保障及網絡資源高效利用。
【IPC分類】H04W84-18, H04W52-04
【公開號】CN104540203
【申請號】CN201510000959
【發明人】陳前斌, 王盼盼, 柴蓉, 黃崢, 陳玉梅
【申請人】重慶郵電大學
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月4日