基于信息中繼節(jié)點(diǎn)的能量和信息同傳模型及協(xié)議

郝騰蛟， 王宏志

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

無(wú)線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network, WBAN)[1]又稱體域傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一種由人體相關(guān)的人體網(wǎng)絡(luò)元素組成的通信網(wǎng)絡(luò)。它可以通過(guò)放置在人體周圍或鑲嵌在人體內(nèi)部的各種傳感器節(jié)點(diǎn)感知和收集人體的一些重要生理參數(shù)和人體周圍的一些環(huán)境參數(shù)，然后無(wú)線傳輸?shù)饺梭w附近的基站或移動(dòng)單元，最后通過(guò)交互將其上傳到終端服務(wù)器進(jìn)行分析和處理[2]。

WBAN涉及多學(xué)科的多種知識(shí)，結(jié)合了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算和分布式信息處理等技術(shù)，它已廣泛應(yīng)用于軍事、娛樂(lè)、消費(fèi)電子、智能家居和公共服務(wù)，尤其是臨床診斷和遠(yuǎn)程醫(yī)療，并受到更多關(guān)注。在無(wú)線生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)通常植入人體。然而，由于WBAN不同于傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，WBAN中節(jié)點(diǎn)的傳輸功率和功耗不僅受到人體外部環(huán)境的影響，而且更容易受人體組織衰減的影響。但網(wǎng)絡(luò)需要可靠的通信，低功耗和長(zhǎng)壽命，能量收集(EH)的出現(xiàn)有效地解決了這個(gè)問(wèn)題[3]。EH技術(shù)收集并將來(lái)自周圍環(huán)境的分布式能量轉(zhuǎn)換為可由負(fù)載使用的電能。環(huán)境中包含的分布式能量有各種形式，如太陽(yáng)能、熱能、振動(dòng)和射頻能[4]。

因?yàn)橐资墉h(huán)境影響，自然資源是隨機(jī)和不穩(wěn)定的，而射頻信號(hào)易于控制和調(diào)節(jié)。因此，文獻(xiàn)[5]提出了通過(guò)射頻(RF)信號(hào)的無(wú)線電力傳輸(WPT);文獻(xiàn)[6]研究了設(shè)備到設(shè)備的有效資源分配;文獻(xiàn)[7]假設(shè)電池容量在無(wú)限或有限的情況下，由EH源提供的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功率管理策略;文獻(xiàn)[8]考慮了同時(shí)具有能量的無(wú)線供電中繼系統(tǒng)分別在能量分割(PS)和時(shí)間切換(TS)協(xié)議下的能量和信息傳輸;文獻(xiàn)[9]提出了一種具有雙向信息和能量轉(zhuǎn)發(fā)中繼的新型無(wú)線電力通信(WPC)系統(tǒng);文獻(xiàn)[10]研究了具有協(xié)作中繼的同步無(wú)線信息和能量傳輸,但是過(guò)多的中繼節(jié)點(diǎn)提升了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度;文獻(xiàn)[11]提出一種中繼選擇方案,通過(guò)建立優(yōu)化問(wèn)題，使網(wǎng)絡(luò)的總能量損失最小并且吞吐量最大。無(wú)線能量收集和信息傳輸?shù)拇蠖鄶?shù)研究都考慮了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)。

文中提出一種將自身節(jié)點(diǎn)作為中繼的傳輸模型和協(xié)議。不同于傳統(tǒng)的中繼模型，在該模型中自身節(jié)點(diǎn)既可以收集源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)哪芰亢桶炎陨硇畔骰卦垂?jié)點(diǎn)，也可以用作中繼來(lái)輔助源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的能量和信息傳輸。此模型減少了人體傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，降低了無(wú)線體域網(wǎng)的復(fù)雜性。通過(guò)非線性規(guī)劃算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)解來(lái)使系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)，并用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)模型

傳輸模型如圖1所示。

圖1 傳輸模型

考慮一個(gè)源節(jié)點(diǎn)S，一個(gè)自身能采集信息的中繼節(jié)點(diǎn)R和一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)D。前半周期內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)接收源節(jié)點(diǎn)的能量，并將自己的信息傳輸?shù)皆?；后半周期?nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼來(lái)幫助目的節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)傳輸信息。第三時(shí)隙中，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量到中繼節(jié)點(diǎn)，同時(shí)目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息到中繼節(jié)點(diǎn)。第四時(shí)隙，中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息I2到源節(jié)點(diǎn)并將能量發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，用于下一周期內(nèi)目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)使用。我們忽略從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸鏈路，并且所有節(jié)點(diǎn)都以半雙工模式運(yùn)行，同時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)能量受限。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)三者在一條直線上，且中繼節(jié)點(diǎn)在二者之間，源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)以及從中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的距離分別為dsr，drd，信道狀態(tài)系數(shù)分別表示為h和g，源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的距離固定且為

dsd=dsr+drd=40 cm

傳輸周期為T。此外，假設(shè)源節(jié)點(diǎn)具有穩(wěn)定的能量提供，同時(shí)目的節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)的電池沒(méi)有初始能量，并且傳輸信息時(shí)所需的能量全部由源節(jié)點(diǎn)提供。此外，中繼執(zhí)行信息解碼和轉(zhuǎn)發(fā)方案，傳輸協(xié)議如圖2所示。

圖2 傳輸協(xié)議模型

首先在α1T/2時(shí)隙內(nèi)，源節(jié)點(diǎn)將射頻能量信號(hào)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)；在接著的(1-α1)T/2時(shí)隙內(nèi)，中繼利用從源節(jié)點(diǎn)接收的能量將信息發(fā)送到源；然后，源節(jié)點(diǎn)在α2T/2時(shí)隙內(nèi)再次將能量信號(hào)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)，與此同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)將信息信號(hào)發(fā)送到中繼節(jié)點(diǎn)；最后在(1-α2)T/2時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送到源節(jié)點(diǎn)，并將能量發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)為下一周期內(nèi)目的節(jié)點(diǎn)傳輸信息時(shí)使用。

2 信道模型

由于無(wú)線體域網(wǎng)是人體周圍的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線體域網(wǎng)的信道受人體組織形態(tài)和外部環(huán)境影響較大，導(dǎo)致無(wú)線體域網(wǎng)信道區(qū)別于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道。無(wú)線體域網(wǎng)的信道[12]通常由通信距離和通信頻率共同決定，并隨著通信距離和通信頻率的增大而增大。人體自身的姿態(tài)和周圍的環(huán)境變化也會(huì)對(duì)路徑損耗值產(chǎn)生陰影衰落，使得信道受影響，綜合各方面的影響，無(wú)線體域網(wǎng)中的信道模型一般表示為：

(1)

式中:d0----參考距離;

PL(d0)----參考距離d0處對(duì)應(yīng)的路徑損耗;

n----路徑損耗指數(shù)，與環(huán)境有關(guān)。

源節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道增益可以表示為：

(2)

同理可得中繼節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間的信道增益為：

(3)

3 能量和信息傳輸算法

在第一時(shí)隙中，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)傳輸能量信號(hào)，中繼節(jié)點(diǎn)接收到的信號(hào)為：

(4)

式中:ps----源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率;

h----源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù);

xs----源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的能量信號(hào);

則在能量分割協(xié)議下，中繼處收集到的能量為：

(5)

式中:η----能量轉(zhuǎn)化效率，0<η≤1;

ρ----功率分配因子，0<ρ<1。

中繼節(jié)點(diǎn)接收的能量Er用于第二時(shí)隙內(nèi)中繼節(jié)點(diǎn)向源節(jié)點(diǎn)傳輸信息I1。假設(shè)接收的能量全部被利用，則第二時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)向源傳輸信息的發(fā)射功率為：

(6)

則源節(jié)點(diǎn)接收到信號(hào)的信噪比為：

(7)

根據(jù)香農(nóng)定理，源節(jié)點(diǎn)接收信息I1的吞吐量為：

(8)

在第三時(shí)隙α2T/2中，源節(jié)點(diǎn)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量信號(hào)E2的同時(shí)，目的節(jié)點(diǎn)向中繼發(fā)送信息信號(hào)I2，則中繼接收到的信號(hào)可表示為：

(9)

式中:g----中繼節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的信道系數(shù);

xd----目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息信號(hào);

pd----目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。

由于pd?ps，所以收集能量時(shí)忽略目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，則此階段中繼節(jié)點(diǎn)收集的能量為：

(10)

假定收集的能量和消耗的能量相等，則中繼節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率為：

(11)

根據(jù)能量分割協(xié)議，在中繼處分離出來(lái)的信號(hào)為：

(12)

(13)

那么可以得到目的節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的吞吐量為：

(14)

在第四時(shí)隙中，中繼節(jié)點(diǎn)分別向目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量和信息信號(hào)I2。目的節(jié)點(diǎn)接收的能量用于下一個(gè)周期內(nèi)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)使用。則目的節(jié)點(diǎn)收集的能量為：

則目的節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為：

(16)

與此同時(shí)，源節(jié)點(diǎn)接收到通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)解碼轉(zhuǎn)發(fā)的信息信號(hào)I2，則在源節(jié)點(diǎn)處接收到信號(hào)的信噪比為：

(17)

源節(jié)點(diǎn)處接收到中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息的吞吐量為：

(18)

4 優(yōu)化方法

為了使模型的信息吞吐量最大，采用R1、R2和R3聯(lián)合優(yōu)化的方法，通過(guò)優(yōu)化參數(shù)使三者最小值最大來(lái)達(dá)到系統(tǒng)整體信息吞吐量最大。當(dāng)R1

(19)

從上述的約束條件可以看出，系統(tǒng)最大的信息吞吐量τ*與這些參數(shù)取值有關(guān)，通過(guò)使用MATLAB中的非線性規(guī)劃算法對(duì)其進(jìn)行編程，求出最優(yōu)解。

5 仿真分析

系統(tǒng)吞吐量與ρ的關(guān)系如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)吞吐量與ρ的關(guān)系

圖中描述了在其他三點(diǎn)最優(yōu)的情況下，系統(tǒng)吞吐量隨功率分配因子的變化。從圖中可以看出，R1和R3隨ρ的增大而增大，并且基本重疊。R2隨ρ的增大先增大后減小。當(dāng)ρ趨近于1時(shí)，從目的節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)全部被用作能量的收集，所以圖中R2在最后階段有一個(gè)急速的下降，并在ρ=1時(shí),吞吐量等于0。在交點(diǎn)前三者最小值單調(diào)遞增，交點(diǎn)后三者的最小值單調(diào)遞減，很清晰的看到信息吞吐量最優(yōu)點(diǎn)為圖中所示位置。

繪制了其他三點(diǎn)最優(yōu)的情況下，系統(tǒng)吞吐量隨距離dsr的變化，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)吞吐量與dsr的關(guān)系

從圖中可以明顯看到，R1和R3隨源節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)的距離dsr的增大而減小，R2隨dsr的增大而增大，且在交點(diǎn)前三者的最小值單調(diào)遞增，交點(diǎn)后三者的最小值單調(diào)遞減，可以找到最優(yōu)距離dsr為圖中所示位置。

描繪了三個(gè)參數(shù)ρ、α1和α2最佳時(shí)，優(yōu)化的系統(tǒng)吞吐量與源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)之間距離dsr的變化關(guān)系，如圖5所示。

圖5 最優(yōu)參數(shù)下的系統(tǒng)吞吐量與dsr的關(guān)系

從圖中可以看出，系統(tǒng)吞吐量隨距離的增大先減小后增大再減小。參考圖4，過(guò)了最優(yōu)點(diǎn)之后，最小吞吐量為遞減變化，所以圖5中最后最優(yōu)吞吐量有先增大后減小的趨勢(shì)，并且在dsr=37 cm處達(dá)到最大，與前面求出的最優(yōu)距離相吻合。

6 結(jié) 語(yǔ)

在傳統(tǒng)無(wú)線體域網(wǎng)傳輸模型基礎(chǔ)上提出一種新的能量和信息同時(shí)傳輸模型，該模型中的自身節(jié)點(diǎn)既可以傳輸自己的信息，又可以作為中繼輔助其他節(jié)點(diǎn)的能量和信息傳輸，減少了無(wú)線體域網(wǎng)內(nèi)的中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量，降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，減輕了對(duì)人體舒適度的影響。用非線性規(guī)劃方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，確定5個(gè)參數(shù)ρ、α1、α2、dsr和drd的最優(yōu)解，使系統(tǒng)吞吐量最優(yōu)，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果的正確性。文中研究的是能量分割協(xié)議下信息中繼節(jié)點(diǎn)的能量和信息同傳的問(wèn)題，后續(xù)工作可以考慮時(shí)間切換協(xié)議下信息中繼節(jié)點(diǎn)的能量和信息同傳的問(wèn)題以及最優(yōu)信息中繼選擇等。