單通道系統中無線信息與能量同時傳輸的新策略

賀更新, 張 寧, 劉立超

(1.中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065;2.吉林大學 通信工程學院， 吉林 長春 130025；3.北京寶沃汽車股份有限公司， 北京 101408)

0 引 言

在無線體域網絡中，將能檢測心率、血壓、胰島素水平等生命體征值的傳感器放置在人體表面或人體內部，傳感器實時偵測生理狀況,并通過各種方式將這些信息傳遞給健康檢測中心，以便醫護人員或后臺系統早發現、早治療一些疾病，降低醫療成本。

目前，WBAN的研究已取得一系列成果，但仍處于初級階段，其能量收集以及資源分配問題成為發展WBAN的熱點研究。世界首個WBAN通信標準在2010年制定,并在2012年完成，由IEEE 802.15第六任務組規范描述[1]。為解決網絡可持續性問題，多位學者有了非常多的研究成果。2014年，Yang S等[2]開發了太陽能傳感器，以太陽能作為持續性能源為WBAN網絡供電。文獻[3]考慮了阻塞隨機 EH 模型，并利用動態規劃和凸規劃技術導出了使得吞吐量最大化的最優功率分配策略。美國羅切斯特大學研究基于WBAN的體表、離體、體間三種無線信道，利用爬波(Creeping Wave， CW)天線提供可靠的通信，并減少網絡間干擾[4]。然而，太陽能、風能、熱能這些自然資源具有不穩定、不持續等缺點，因此能夠攜帶能量與信息的射頻在WBAN能量收集領域得到廣泛關注。2013年，Liu V等[5]分析了射頻能量的可用性，并闡述了通過收集環境中的射頻能量供電來維持電子系統的持續性。2015年，田龍等[6]基于射頻能量采集技術發展現狀的基礎,總結了射頻能量采集器的整體結構及其內部各模塊結構。2018年，Sui D等[7]提出進行射頻能量收集的中繼節點及其對應的信道匹配協議，提高了系統穩定性。2019年，郝騰蛟等[8]建立了自身節點作為中繼的信能同傳模型，并運用非線性規劃算法對該模型和協議進行優化，從而得到最優解。

隨著通信技術的發展，目前要想發展WBAN技術,使其廣泛服務人民，提高網絡性能成為必不可少的一步。因此,本研究在WBAN領域具有重要意義。

1 信道模型的建立

點對點能量和信息傳輸系統模型如圖1所示。

圖1 點對點能量和信息傳輸系統模型

從圖1可以看出，WBAN由一個匯聚節點以及多個傳感器節點組成，傳感器節點的主要工作是信號采樣和調節、進行模數轉換以及數據的傳輸，匯聚節點(一般由手機、iPad等智能設備充當)匯聚各個傳感器節點收集到的生理信息，經處理過后若發現用戶生理數據異常，會將其發送給醫療機構，供其處理與分析，以便實時監護用戶生命體征。

在通用標準IEEE 802.15.6中，根據通信雙方所在位置不同，WBAN通常有三個通信信道，分別是身體內部信道、身體外部信道和離體信道。文中研究的信道模型是身體外部信道模型，根據文獻[9]研究的路徑損耗模型所處頻段是3.1～10.6 GHz。 WBAN的信道受節點間距離和頻率影響，其路徑損耗隨著節點間距離和頻率的增大而增大[10]。另外，在人體組織、形態以及所處環境的作用下也會產生陰影衰落，從而影響信道。一般來說，路徑損耗用下面的經驗功率衰減率公式來模擬。

(1)

式中：n----路徑損耗指數;

d0----參考距離;

P0 dB----參考距離的路徑損耗。

根據文獻[9,11]，路徑損耗模型是關于距離da和dr的函數，其中da是下行信道(從接入節點到傳感器節點)參數距離，dr是上行信道(從傳感器節點到接入節點)參數距離。上行信道的信道系數為g，其增益表達式為

(2)

下行信道的信道系數為h，其增益表達式為

(3)

為研究方便，設接入節點具有足夠大的電量，且不計傳感器電路的功率損耗。另外還需要說明的是，網絡中傳感器收集到的能量一定要大于或等于傳感器發送信息給接入節點所需要的能量。

2 系統模型及系統最大吞吐量的理論推導

在網絡通信正常的情況下，采用功率分割傳輸協議，其基本工作方式是將接收端接收的信號分為能進行能量收集和信息解碼兩部分，其信道模型如圖2所示。

圖2 基于功率分割的通信信道模型協議

該協議將信能同傳整個過程的周期設為T，在前T/2時間中，接入節點同時發送控制信號和能量信號給傳感器節點。傳感器接收信號并將信號分為功率比為ρ的兩部分，分別用于能量收集和信息解碼。

在前T/2階段中,傳感器接收到的信號可用下式表示

(4)

式中：xa----傳感器的發射信號;

Pa----接入節點的發送功率;

h----從接入節點到傳感器的下行鏈路信道系數;

ns----傳感器的噪聲信號，并服從正態分布。

傳感器用于信息解碼和能量收集的信號分別表示為：

(5)

(6)

傳感器采集的平均能量為

(7)

式中：η----能量轉化效率，且0<η<1。

在后一個T/2階段中，傳感器在進行信息解碼和能量接收后，將感知到的信息發送給接入節點，完成一個時間周期T的信息傳輸，傳感器發送的信息信號可用下式表示

(8)

式中：μ----傳感器的放大轉發系數；

其中

式中：g----從傳感器到接入節點的上行鏈路信道系數。

接入節點接受的信息信號為

(9)

接入節點的信噪比為

(10)

最終，可以得出從傳感器到接入節點的吞吐量為

(11)

最后,通過極值條件獲得最大信噪比時的功率分裂系數,即為研究目的中的最優功率分裂因子ρ*。最后解得，

其中

在網絡通信異常的情況下，文中采用時間切換傳輸協議,其通信信道協議模型如圖3所示，

圖3 異常情況下的通信信道模型

此協議將整個通信在時域上分成(1-τ)T/2、τT和(1-τ)T/2三個階段。其中τ為時間分配比例，且0<τ<1。

通過推導可以得出系統吞吐量的表達式為

(12)

最后,通過極值條件得出最大信噪比時的時間切換數,即為研究目的中的最佳時間切換系數τ*。最后解得，

3 仿真驗證

本研究采用的參數來自IEEE802.15.6 標準，設能量轉換系數η=1，接入節點端最大的傳輸功率Pa為1 mW，將噪聲功率假設為

由接入節點和傳感器在體域網中的參考距離，設正常情況下接入節點和傳感器的距離為d=2 m，異常情況下接入節點和傳感器的距離為d=0.4 m。

不同功率分裂系數下吞吐量與接入節點發射功率之間的關系如圖4所示。

圖4 不同功率分裂系數下吞吐量與接入節點發射功率之間的關系

在正常情況下，采用功率分割協議進行建模，本研究選取ρ分別為0.4與0.8時，與最優功率分割比做對比，通過圖4可以看出在最優功率分割比的條件下，且接入節點發送功率足夠大時，系統吞吐量基本恒大于在其他功率分割比下的吞吐量，改變功率分割比的值進行驗證，依然可以得到上述結論。這證實了在選擇最優功率分割系數設計通信網絡時,選擇最佳功率分割比，系統可以得到最大吞吐量。為進一步證明結論的可靠性，固定接入節點的發射功率以下行鏈路參考距離作為變量，選取ρ分別為0.4與0.8時，與最優功率分割比做對比，可以得出相同的結論，如圖5所示。

圖5 不同功率分裂系數下吞吐量與下行鏈路參考距離之間的關系

不同時間切換系數下信息吞吐量和下行鏈路參數的關系如圖6所示。

圖6 不同時間切換系數下信息吞吐量和下行鏈路參數的關系

在異常情況下，采用時間切換協議進行建模，本研究選取τ分別為0.2與0.7時，與最佳時間切換系數做對比，通過圖6可以看出在最佳時間切換系數的條件下，且下行鏈路參考距離改變時，系統吞吐量基本恒大于在其他時間切換系數下的吞吐量。這證實了在選擇時間切換系數設計通信網絡時,選擇最佳時間切換系數，系統可以得到最大吞吐量。

4 結 語

針對WBAN的高能效問題優化傳輸系統、在點到點傳輸模型中實現信息吞吐量最大化。文中在能量約束限制的前提下，推導系統吞吐量最大時的最優功率分割比，以及最佳時間切換系數。仿真結果顯示，該方案有效地提高了網絡的吞吐量，優化了傳輸系統。在本研究的基礎上，未來可在該系統上加入中繼節點來進一步提高網絡性能。