基于信息中繼節點的能量和信息同傳模型及協議

郝騰蛟， 王宏志

(長春工業大學 計算機科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

無線體域網(Wireless Body Area Network, WBAN)[1]又稱體域傳感器網絡，是一種由人體相關的人體網絡元素組成的通信網絡。它可以通過放置在人體周圍或鑲嵌在人體內部的各種傳感器節點感知和收集人體的一些重要生理參數和人體周圍的一些環境參數，然后無線傳輸到人體附近的基站或移動單元，最后通過交互將其上傳到終端服務器進行分析和處理[2]。

WBAN涉及多學科的多種知識，結合了傳感器、微機電系統、嵌入式計算和分布式信息處理等技術，它已廣泛應用于軍事、娛樂、消費電子、智能家居和公共服務，尤其是臨床診斷和遠程醫療，并受到更多關注。在無線生物醫學應用中，節點通常植入人體。然而，由于WBAN不同于傳統的無線網絡，WBAN中節點的傳輸功率和功耗不僅受到人體外部環境的影響，而且更容易受人體組織衰減的影響。但網絡需要可靠的通信，低功耗和長壽命，能量收集(EH)的出現有效地解決了這個問題[3]。EH技術收集并將來自周圍環境的分布式能量轉換為可由負載使用的電能。環境中包含的分布式能量有各種形式，如太陽能、熱能、振動和射頻能[4]。

因為易受環境影響，自然資源是隨機和不穩定的，而射頻信號易于控制和調節。因此，文獻[5]提出了通過射頻(RF)信號的無線電力傳輸(WPT);文獻[6]研究了設備到設備的有效資源分配;文獻[7]假設電池容量在無限或有限的情況下，由EH源提供的點對點通信的功率管理策略;文獻[8]考慮了同時具有能量的無線供電中繼系統分別在能量分割(PS)和時間切換(TS)協議下的能量和信息傳輸;文獻[9]提出了一種具有雙向信息和能量轉發中繼的新型無線電力通信(WPC)系統;文獻[10]研究了具有協作中繼的同步無線信息和能量傳輸,但是過多的中繼節點提升了網絡的復雜度;文獻[11]提出一種中繼選擇方案,通過建立優化問題，使網絡的總能量損失最小并且吞吐量最大。無線能量收集和信息傳輸的大多數研究都考慮了點對點通信系統。

文中提出一種將自身節點作為中繼的傳輸模型和協議。不同于傳統的中繼模型，在該模型中自身節點既可以收集源節點傳輸的能量和把自身信息傳回源節點，也可以用作中繼來輔助源節點和目的節點之間的能量和信息傳輸。此模型減少了人體傳感器節點的數量，降低了無線體域網的復雜性。通過非線性規劃算法對系統進行優化，得到最優解來使系統吞吐量最優，并用仿真實驗驗證。

1 系統模型

傳輸模型如圖1所示。

圖1 傳輸模型

考慮一個源節點S，一個自身能采集信息的中繼節點R和一個目的節點D。前半周期內，中繼節點接收源節點的能量，并將自己的信息傳輸到源；后半周期內，中繼節點作為中繼來幫助目的節點向源節點傳輸信息。第三時隙中，源節點發送能量到中繼節點，同時目的節點傳輸信息到中繼節點。第四時隙，中繼節點轉發信息I2到源節點并將能量發送到目的節點，用于下一周期內目的節點發送信息時使用。我們忽略從源節點到目的節點的傳輸鏈路，并且所有節點都以半雙工模式運行，同時中繼節點和目的節點能量受限。假設源節點、目的節點和中繼節點三者在一條直線上，且中繼節點在二者之間，源節點到中繼節點以及從中繼節點到目的節點的距離分別為dsr，drd，信道狀態系數分別表示為h和g，源節點與目的節點之間的距離固定且為

dsd=dsr+drd=40 cm

傳輸周期為T。此外，假設源節點具有穩定的能量提供，同時目的節點和中繼節點的電池沒有初始能量，并且傳輸信息時所需的能量全部由源節點提供。此外，中繼執行信息解碼和轉發方案，傳輸協議如圖2所示。

圖2 傳輸協議模型

首先在α1T/2時隙內，源節點將射頻能量信號發送到中繼節點；在接著的(1-α1)T/2時隙內，中繼利用從源節點接收的能量將信息發送到源；然后，源節點在α2T/2時隙內再次將能量信號發送到中繼節點，與此同時，目的節點將信息信號發送到中繼節點；最后在(1-α2)T/2時隙中，中繼節點將信息發送到源節點，并將能量發送到目的節點為下一周期內目的節點傳輸信息時使用。

2 信道模型

由于無線體域網是人體周圍的無線傳感器網絡，無線體域網的信道受人體組織形態和外部環境影響較大，導致無線體域網信道區別于無線傳感器網絡信道。無線體域網的信道[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。人體自身的姿態和周圍的環境變化也會對路徑損耗值產生陰影衰落，使得信道受影響，綜合各方面的影響，無線體域網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處對應的路徑損耗;

n----路徑損耗指數，與環境有關。

源節點與中繼節點之間的信道增益可以表示為：

(2)

同理可得中繼節點與目的節點之間的信道增益為：

(3)

3 能量和信息傳輸算法

在第一時隙中，源節點向中繼節點傳輸能量信號，中繼節點接收到的信號為：

(4)

式中:ps----源節點的發射功率;

h----源節點到中繼節點的信道系數;

xs----源節點發送的能量信號;

則在能量分割協議下，中繼處收集到的能量為：

(5)

式中:η----能量轉化效率，0<η≤1;

ρ----功率分配因子，0<ρ<1。

中繼節點接收的能量Er用于第二時隙內中繼節點向源節點傳輸信息I1。假設接收的能量全部被利用，則第二時隙中，中繼節點向源傳輸信息的發射功率為：

(6)

則源節點接收到信號的信噪比為：

(7)

根據香農定理，源節點接收信息I1的吞吐量為：

(8)

在第三時隙α2T/2中，源節點向中繼節點發送能量信號E2的同時，目的節點向中繼發送信息信號I2，則中繼接收到的信號可表示為：

(9)

式中:g----中繼節點到目的節點的信道系數;

xd----目的節點發送的信息信號;

pd----目的節點的發射功率。

由于pd?ps，所以收集能量時忽略目的節點的發射功率，則此階段中繼節點收集的能量為：

(10)

假定收集的能量和消耗的能量相等，則中繼節點的發送功率為：

(11)

根據能量分割協議，在中繼處分離出來的信號為：

(12)

(13)

那么可以得到目的節點到中繼節點的吞吐量為：

(14)

在第四時隙中，中繼節點分別向目的節點和源節點發送能量和信息信號I2。目的節點接收的能量用于下一個周期內向中繼節點發送信息時使用。則目的節點收集的能量為：

則目的節點的發射功率為：

(16)

與此同時，源節點接收到通過中繼節點解碼轉發的信息信號I2，則在源節點處接收到信號的信噪比為：

(17)

源節點處接收到中繼節點轉發信息的吞吐量為：

(18)

4 優化方法

為了使模型的信息吞吐量最大，采用R1、R2和R3聯合優化的方法，通過優化參數使三者最小值最大來達到系統整體信息吞吐量最大。當R1

(19)

從上述的約束條件可以看出，系統最大的信息吞吐量τ*與這些參數取值有關，通過使用MATLAB中的非線性規劃算法對其進行編程，求出最優解。

5 仿真分析

系統吞吐量與ρ的關系如圖3所示。

圖3 系統吞吐量與ρ的關系

圖中描述了在其他三點最優的情況下，系統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ρ趨近于1時，從目的節點發射的信號全部被用作能量的收集，所以圖中R2在最后階段有一個急速的下降，并在ρ=1時,吞吐量等于0。在交點前三者最小值單調遞增，交點后三者的最小值單調遞減，很清晰的看到信息吞吐量最優點為圖中所示位置。

繪制了其他三點最優的情況下，系統吞吐量隨距離dsr的變化，如圖4所示。

圖4 系統吞吐量與dsr的關系

從圖中可以明顯看到，R1和R3隨源節點到中繼節點的距離dsr的增大而減小，R2隨dsr的增大而增大，且在交點前三者的最小值單調遞增，交點后三者的最小值單調遞減，可以找到最優距離dsr為圖中所示位置。

描繪了三個參數ρ、α1和α2最佳時，優化的系統吞吐量與源節點和中繼節點之間距離dsr的變化關系，如圖5所示。

圖5 最優參數下的系統吞吐量與dsr的關系

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

6 結 語

在傳統無線體域網傳輸模型基礎上提出一種新的能量和信息同時傳輸模型，該模型中的自身節點既可以傳輸自己的信息，又可以作為中繼輔助其他節點的能量和信息傳輸，減少了無線體域網內的中繼節點數量，降低了網絡的復雜度，減輕了對人體舒適度的影響。用非線性規劃方法對模型進行優化，確定5個參數ρ、α1、α2、dsr和drd的最優解，使系統吞吐量最優，仿真實驗驗證了結果的正確性。文中研究的是能量分割協議下信息中繼節點的能量和信息同傳的問題，后續工作可以考慮時間切換協議下信息中繼節點的能量和信息同傳的問題以及最優信息中繼選擇等。