基于無(wú)線體域網(wǎng)的多節(jié)點(diǎn)傳輸優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付連慶, 鄭嘉寧, 賀更新

(1.英飛睿(成都)微系統(tǒng)技術(shù)有限公司， 成都 610036；2.吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130025；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

0 引 言

無(wú)線體域網(wǎng)是圍繞人體展開的，由和人體相干的各種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一種覆蓋范圍小、能耗低、可靠、高效的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。依照節(jié)點(diǎn)的作用可將這些節(jié)點(diǎn)劃分為傳感器節(jié)點(diǎn)和接收器節(jié)點(diǎn)兩大類。傳感器負(fù)責(zé)采集各種人體數(shù)據(jù)以及周圍環(huán)境中的信息(如腦電波、心臟信號(hào)、肌肉電波、脈搏、血壓、體溫、運(yùn)動(dòng)信息等)，之后將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給接收器。接收器主要負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器收集到的一系列人體數(shù)據(jù)的采集與匯總，然后對(duì)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理之后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等[1]。通過(guò)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的類型進(jìn)行設(shè)定，WBAN可以在諸如臨床醫(yī)療、軍事國(guó)防、娛樂(lè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮作用[2]。因此,如何保證數(shù)據(jù)的高效可靠傳輸是亟待解決的問(wèn)題。

無(wú)線能量和信息同傳(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer， SWIPT)的思想最早由Varshney L R[3]在2008年提出。Grover P等[4]研究了頻率選擇性信道中的SWIPT技術(shù)，以及相關(guān)的可達(dá)率與能量折合率。文獻(xiàn)[5]討論了共信道干擾的SWIPT，同時(shí)還對(duì)不同速率和能量調(diào)和以及能量和中斷折衷的問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且初次采集來(lái)自干擾信號(hào)中的能量。

最近研究方向轉(zhuǎn)向了中繼協(xié)助的SWIPT，它不僅可以通過(guò)RF(Radio Frequency)收集能量,使節(jié)點(diǎn)擺脫能量受限的控制，還能充分利用信息與能量之間的權(quán)衡。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)中繼器采取放大(Amplify and Forward, AF)、解碼(Decoding and Forword, DF)等方法,對(duì)基于時(shí)間交換與功率分段協(xié)議的中繼器進(jìn)行吞吐量控制;文獻(xiàn)[8]研究了采取無(wú)線能量收集技術(shù)的中繼多節(jié)點(diǎn)的功率分配問(wèn)題;文獻(xiàn)[9]提出一種具有雙向信息和能量轉(zhuǎn)發(fā)中繼的新型無(wú)線電力通信系統(tǒng)(WPC);文獻(xiàn)[10]研究了具有協(xié)作中繼的無(wú)線信息與能量同步傳輸技術(shù)，但是過(guò)多的節(jié)點(diǎn)提高了信道復(fù)雜度;文獻(xiàn)[11]提出一種中繼選擇算法，建立優(yōu)化問(wèn)題使系統(tǒng)吞吐量最大化;文獻(xiàn)[12]將傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為中繼來(lái)進(jìn)行信能同傳，并運(yùn)用非線性規(guī)劃算法對(duì)該模型和協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化。

1 基于SWIPT的中繼協(xié)作傳輸模型

基于SWIPT的多節(jié)點(diǎn)WBAN中繼協(xié)作傳輸模型如圖1所示。

圖1 多節(jié)點(diǎn)WBAN中繼協(xié)作傳輸模型

基于SWIPT技術(shù)的多傳感器節(jié)點(diǎn)WBANs中繼協(xié)作傳輸技術(shù)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 多傳感器節(jié)點(diǎn)WBANs中繼協(xié)作傳輸技術(shù)的時(shí)隙結(jié)構(gòu)圖

2 公式推導(dǎo)

2.1 吞吐量

在無(wú)線能量收集階段，RF源節(jié)點(diǎn)向相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送能量。他們獲得的能量分別為：

(1)

Er=ηPs|hsr|2t0,

(2)

式中：η----能效因子，0<η<1;

Ps----RF節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率;

hsd、hsr----分別表示RF節(jié)點(diǎn)到傳感器以及中繼節(jié)點(diǎn)處的信道系數(shù)。

在WBAN中，建立WBANs系統(tǒng)信道損耗模型為

(3)

式中：n----路徑損耗參數(shù);

d----發(fā)射節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的傳輸距離;

d0----規(guī)定的參考距離，設(shè)d0=10 cm;

P0 dB----參考距離下所對(duì)應(yīng)的傳輸路徑損耗參考值。

信道增益絕對(duì)值的平方表達(dá)式

(4)

傳感器節(jié)點(diǎn)在它時(shí)隙的前一部分時(shí)間內(nèi)，利用收集到的能量可以直接將信息發(fā)送給源節(jié)點(diǎn)，傳感器的發(fā)射功率為

(5)

在源節(jié)點(diǎn)處的接收信號(hào)為

(6)

xi----歸一化信號(hào)。

因此，可以推導(dǎo)出直接傳輸下的信噪比為

(7)

同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)在它時(shí)隙的前一部分時(shí)間內(nèi)，還將向中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)信息，同樣在中繼節(jié)點(diǎn)處的信噪比為

(8)

xi----歸一化信號(hào)。

之后，在時(shí)隙的后一部分時(shí)間內(nèi)，中繼節(jié)點(diǎn)將向接收器轉(zhuǎn)發(fā)信息，因此信噪比為

(9)

最后，基于最大比合并，則第i個(gè)傳感器在接收節(jié)點(diǎn)處獲得的信噪比為

(10)

則獲得的吞吐量為

(11)

2.2 優(yōu)化

由2.1中公式推導(dǎo)可知，吞吐量的大小與中繼節(jié)點(diǎn)的位置、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)以及RF源節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率等有關(guān)。同時(shí)，通過(guò)觀察還可以發(fā)現(xiàn),功率分割因子也會(huì)影響吞吐量性能。因此，文中考慮優(yōu)化功率分割因子，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。

最佳功率分裂因子是指系統(tǒng)吞吐量達(dá)到最大時(shí)的功率分裂因子。因此，在功率以及安全性限制下構(gòu)建最大吞吐量?jī)?yōu)化模型為

(12)

其中，C1、C2是對(duì)功率分裂因子的非負(fù)限定，C3、C4是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)以及中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的約束條件，發(fā)射功率不能超過(guò)WBAN通信標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最大傳輸功率，以免影響人體健康。

為了獲得功率分割因子的最優(yōu)解形式，對(duì)上述公式采用拉格朗日乘子法以及KKT條件求解。首先根據(jù)式(12)列出拉格朗日函數(shù)為

(13)

式中:λi,βi,χi,αi----分別為上述約束條件C1、C2、C3和C4的約束系數(shù)。

由KKT條件要求，最優(yōu)值必須滿足條件

(14)

因此求得最佳功率分裂因子為系數(shù),即為研究目的中的最優(yōu)功率分裂因子

(15)

之后,采用次梯度算法更新拉格朗日系數(shù)，更新因子為

(16)

式中：at,bt,ct,dt----迭代步長(zhǎng);

t----迭代索引。

3 仿 真

傳感器節(jié)點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)不同距離下的中繼傳輸、中繼協(xié)作傳輸以及直接傳輸?shù)耐掏铝勘容^如圖3所示。

圖3 不同傳輸模式下吞吐量對(duì)比

從圖中分析可知，中繼協(xié)作傳輸模式總是選取兩者之中最大的吞吐量，中繼協(xié)作傳輸模式可以有效地改善多節(jié)點(diǎn)WBAN吞吐量低等問(wèn)題。

將2.2中求得的最佳功率分裂因子代入式(11)進(jìn)行仿真，吞吐量與Ps、功率分裂因子關(guān)系如圖4所示。

圖4 吞吐量與Ps、功率分裂因子關(guān)系

從圖中可以觀察到，采用最佳功率分裂因子時(shí)，系統(tǒng)吞吐量性能要優(yōu)于其他幾種ρ取固定值時(shí)的吞吐量。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)WBAN中能效不足以及信道環(huán)境復(fù)雜、陰影效應(yīng)嚴(yán)重問(wèn)題，主要研究了能量收集技術(shù)以及在WBAN中加入中繼協(xié)作傳輸系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)吞吐量的影響。

首先在WBAN系統(tǒng)中添加了中繼協(xié)作傳輸系統(tǒng)，并且引入能量收集技術(shù)。構(gòu)建了無(wú)線信能同傳的中繼協(xié)作傳輸模型，之后推導(dǎo)出系統(tǒng)的吞吐量公式。在傳感器發(fā)射功率約束的情況下實(shí)現(xiàn)優(yōu)化問(wèn)題，找到了最佳功率分裂因子ρ*。仿真結(jié)果表明，含有中繼協(xié)作傳輸系統(tǒng)WBAN的吞吐量得到了優(yōu)化，并且采用最佳功率分裂因子時(shí)，系統(tǒng)的吞吐量性能要大于其他幾種ρ取固定值時(shí)的吞吐量。未來(lái)可考慮存在的噪聲以及信道間的干擾情況下系統(tǒng)吞吐量的優(yōu)化問(wèn)題。