申请/专利权人：广州恒创智能科技有限公司

申请日：2018-08-23

公开（公告）日：2020-11-06

公开（公告）号：CN109067480B

主分类号：H04B17/309(20150101)

分类号：H04B17/309(20150101);H04B17/391(20150101);H04L5/00(20060101);H04W84/18(20090101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.11.06#授权;2019.01.15#实质审查的生效;2018.12.21#公开

摘要：本发明公开了一种采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，包括：任意第m个无线传感器节点通过公共导频信道获取信道衰落系数，并发送至手持终端；手持终端收到M个无线传感器节点的信道衰落系数后，将其发送给基站；基站获取全部M个无线传感器节的信道衰落系数后，分配给全部N个WPT发射源用于并发传输能量的时间为；分配给任意第m个无线传感器节点传输数据的时间为；基站将和通过SDCCH信道反馈给N个WPT发射源和手持终端；手持终端将和通过SDCCH信道转发给M个无线传感器节点。可以对具有不同无线信道传输条件的传感器节点进行高效率的能量以及数据传输速率分配。

主权项：1.一种采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：任意第m个无线传感器节点通过公共导频信道CPICH获取信道衰落系数，并通过SDCCH信道将其发送至手持终端；手持终端收到M个无线传感器节点的信道衰落系数后，通过SDCCH信道将其发送给基站；S02：基站获取全部M个无线传感器节的信道衰落系数后，分配给全部N个WPT发射源用于并发传输能量的时间为t0，t0是以下方程的解： 其中，ζm是任意第m个传感器节点的能量收集效率，任意第m个传感器节点使用部分接收能量进行数据传输，该比例为θm，hn,m表示第n个WPT发射源和第m个传感器节点之间信道的衰落系数，hm,H表示任意第m个传感器节点和手持终端之间信道的衰落系数，tm表示分配给任意第m个传感器节点的数据传输时间，T表示系统中任一能量和数据传输周期的时长，σ2表示系统无线信道的噪声功率，Pn表示任意第n个WPT发射源的发射功率；S03：分配给任意第m个无线传感器节点传输数据的时间为： S04：基站将t0和通过SDCCH信道反馈给N个WPT发射源和手持终端；手持终端将t0和通过SDCCH信道转发给M个无线传感器节点。

全文数据：采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法技术领域本发明涉及一种针对采用无线充电技术的无线体域网进行能量和数据传输时间的分配方法，具体涉及一种在采用无线充电技术的无线体域网中，控制多个无线能量传输发射源向多个用于人体监测的无线传感器节点进行无线能量传输的时间，并控制无线传感器节点使用充电后的能量进行数据传输时间的方法，属于无线通信技术领域。背景技术无线体域网WBAN由大量无线传感器节点组成，这些低功耗传感器节点可以持续监测人体重要生理信息并把这些数据传输给远端服务器，如文献[1]。WBAN的应用领域包括医疗护理、消费电子和个人监护等。在传统的WBAN中，如文献[2]，传感器节点由电池供电，一旦电池耗尽，WBAN监测服务就被迫停止。所以高能效和长使用寿命是WBAN的重要支撑技术。最新出现的无线充电技术为突破无线传感器节点受电池电量限制提供了一种有效的解决方案，如文献[3]。使用无线能量传输WPT技术，传感器节点可以从WPT发射源辐射的射频信号中捕获能量。文献[4]在理论上论证了WBAN无线传感器节点通过WPT技术捕获能量的可行性并给出了基本的设计框架。文献[4]指出：如何公平且高效的在多个传感器节点之间分配能量传输时间和数据传输时间是采用WPT技术的WBAN亟待解决的重要科学问题。为了提高WBAN的无线能量捕获效率，文献[5]提出通过分配能量传输时间和数据传输时间，最大化所有传感器节点总的数据传输速率。然而，总数据速率最大化方法容易引起各传感器节点数据传输速率的不公平性，即：有的传感器节点长期保持高数据速率传输，而另一些传感器节点的数据传输速率接近于0。为了解决这一不公平问题，文献[5]进一步优化WBAN中的能量传输时间和数据传输时间，使所有传感器节点获得相同的数据传输速率。另外，文献[6]也提出了一种解决上述不公平性问题的能量传输时间和数据传输时间分配方法，该方法能使WBAN中的所有传感器节点从WPT发射源获得相同的能量。文献[5]和文献[6]中所提出的能量传输时间和数据传输时间分配方法虽然保证了每个传感器节点之间数据传输速率或者能量捕获速率的公平性，但是降低了具备较好无线信道条件节点的数据传输速率。文献1：S.Ullah,H.Higgins,B.Braem,etal.,“Acomprehensivesurveyofwirelessbodyareanetworks,”JourneyofMedicalSystems,vol.36,no.3,pp.1065-1094,Jun.2012.文献2：D.B.Smith,D.Miniutti,T.A.Lamahewa,andL.W.Hanlen,“Propagationmodelsforbody-areanetworks:Asurveyandnewoutlook,”IEEEAntennasandPropagationMagazine,vol.55,no.5,pp.97-117,Oct.2913.文献3：P.Kamalinejad,C.Mahapatra,Z.Sheng,etal.,“WirelessenergyharvestingfortheInternetofThings,”IEEECommunicationsMagazine,vol.53,no.6,pp.102-108,Jun.2015.文献4：H.M.Saraiva,L.M.Borges,P.Pinho,etal.,“ExperimentalcharacterizationofwearableantennasandcircuitsforRFenergyharvestinginWBANs,”inProc.IEEE79thVehicularTechnologyConference,Seoul,SouthKorea,May.2014,pp.1-5.文献5：H.JuandR.Zhang,“Throughputmaximizationinwirelesspoweredcommunicationnetworks,”IEEETransactionsonWirelessCommunications,vol.13,no.1,pp.418-428,Jan.2014.文献6：J.C.KwanandA.O.Fapojuwo,“Radiofrequencyenergyharvestinganddatarateoptimizationinwirelessinformationandpowertransfersensornetworks,”IEEESensorsJournal,vol.17,no.15,pp.4862-4874,Aug.2017.发明内容针对采用WPT技术的WBAN，需要协调网络中的无线能量传输时间和数据传输时间，提高网络资源利用率，满足用于人体监测的无线传感器节点的通信需求，为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的是：提供了一种采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，该方法可以对具有不同无线信道传输条件的传感器节点进行高效率的能量以及数据传输速率分配，其整体性能与最大化系统数据传输速率方法相比差距很小，但是能够保证每个传感器节点获得所需求的最小数据传输速率。本发明的技术方案是：一种采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，包括以下步骤：S01：任意第m个无线传感器节点通过公共导频信道CPICH获取信道衰落系数，并通过SDCCH信道将其发送至手持终端；手持终端收到M个无线传感器节点的信道衰落系数后，通过SDCCH信道将其发送给基站；S02：基站获取全部M个无线传感器节的信道衰落系数后，分配给全部N个WPT发射源用于并发传输能量的时间为是以下方程的解：其中，ζm是任意第m个传感器节点的能量收集效率，任意第m个传感器节点使用部分接收能量进行数据传输，该比例为θm，hn,m表示第n个WPT发射源和第m个传感器节点之间信道的衰落系数，hm,H表示任意第m个传感器节点和手持终端之间信道的衰落系数，tm表示分配给任意第m个传感器节点的数据传输时间，T表示系统中任一能量和数据传输周期的时长，σ2表示系统无线信道的噪声功率，Pn表示任意第n个WPT发射源的发射功率；S03：分配给任意第m个无线传感器节点传输数据的时间为：S04：基站将和通过SDCCH信道反馈给N个WPT发射源和手持终端；手持终端将和通过SDCCH信道转发给M个无线传感器节点。优选的技术方案中，能量传输时间和数据传输时间的分配结果，通过以下步骤得到：S11：建模为数学最优化问题：S12：得到约束条件：其中，Rm为网络资源的利用率，w表示系统所占用的频谱带宽，Pm为第m个传感器节点的平均传输功率；S13：通过求解上述最优化问题，得到最优的能量传输时间和数据传输时间分配结果。优选的技术方案中，所述步骤S01之前还包括：在任意一个无线能量和数据传输周期开始前，M个无线传感器节点通过独立控制信道SDCCH向手持终端发送数据传输请求；手持终端收到M个无线传感器节点的数据传输请求后，通过SDCCH信道将该请求发送给基站；基站许可该请求后，开启一个新的无线能量和数据传输周期，并设定持续时间为T。与现有技术相比，本发明的优点是：本发明方法可以对WBAN中具有不同信道条件的无线传感器节点进行高效的能量以及数据传输速率分配，使系统的整体性能与最大化系统数据速率方法相比差距很小，但是能够保证每个传感器节点获得所需求的最小数据传输速率。附图说明下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明采用无线充电技术的无线体域网系统组成示意图；图2是本发明无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案示意图；图3是本发明方法获取整体数据传输速率与其他方法比较的示意图；图4是本发明方法各传感器节点获取数据传输速率与其他方法比较的示意图；图5是本发明方法获取整体公平性指数与其他方法比较的示意图。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。本发明采用无线充电技术的无线体域网中能量和数据传输时间的分配方法的应用场景是：无线体域网WBAN由大量无线传感器节点组成，这些低功耗传感器节点可以持续监测人体重要生理信息。最新出现的无线充电技术为突破无线传感器节点受电池电量限制提供了一种有效的解决方案：在WBAN工作环境中，部署专用的无线能量传输WPT发射源，则WBAN的无线传感器节点可以从WPT发射源辐射的射频信号中捕获能量，实现永久供电、不断网，彻底解决WBAN的有效工作期问题。系统包括M个由被监测人携带的、依靠WPT补给能量的无线传感器节点，1个基站，N个WPT发射源，1部由被监测人携带的依靠电池供电的手持终端。上述基站、WPT发射源、手持终端和传感器节点构成系统的全部设备，如图1所示。所述方案中，全部M个无线传感器节点用于感知被监测人的生命体征信息，如心跳、血压、体温等；全部N个WPT发射源并发向所有M个传感器节点传输能量；手持终端作为M个传感器节点和基站之间的数据中继节点，工作于时域半双工模式，即：先打开接收天线、关闭发射天线，接收M个传感器节点所感知的体征信息数据；在关闭接收天线，打开发射天线，将接收的数据转发到基站；手持终端在接收M个传感器节点的数据时，采用时分多址TDMA控制M个传感器节点对共享无线信道的使用。用w单位Hz表示系统所占用的频谱带宽，用σ2表示系统无线信道的噪声功率，用T单位s表示系统中任一能量和数据传输周期的时长，包括：无线能量传输时间t00t0T和无线数据传输时间两部分，其中tm0≤tmT表示分配给任意第m1≤m≤M个传感器节点的数据传输时间。用Pn表示任意第n1≤n≤N个WPT发射源的发射功率，用hn,m表示第n1≤n≤N个WPT发射源和第m1≤m≤M个传感器节点之间信道的衰落系数，用hm,H表示任意第m1≤m≤M个传感器节点和手持终端之间信道的衰落系数。在任意无线能量和数据传输周期T内，所有信道衰落系数保持不变，任意第m1≤m≤M个传感器节点需要向基站传输Lk比特的数据，作为中继节点，手持终端一方面需要接收M个传感器节点发送的数据，另一方面需要向基站转发这些数据。对系统中N个WPT发射源以及M个无线传感器节点的传输时间分配流程如下：1、在任意一个无线能量和数据传输周期开始前，M个无线传感器节点通过独立控制信道SDCCH,Stand-AloneDedicatedControlChannel向手持终端发送数据传输请求；2、手持终端收到M个无线传感器节点的数据传输请求后，通过SDCCH信道将该请求发送给基站；3、基站许可该请求后，开启一个新的无线能量和数据传输周期，并设定持续时间为T；4、任意第m1≤m≤M个无线传感器节点通过公共导频信道CPICH,CommonPilotChannel获取信道衰落系数hn,m和hm,H，并通过SDCCH信道将其发送至手持终端；5、手持终端收到M个无线传感器节点的信道衰落系数后，通过SDCCH信道将其发送给基站；6、基站获取全部M个无线传感器节的信道衰落系数后，进行无线能量传输时间和无线数据传输时间分配：分配给全部N个WPT发射源用于并发传输能量的时间为是以下方程的解。其中，是任意第m1≤m≤M个传感器节点的能量收集效率，任意第m1≤m≤M个传感器节点使用部分接收能量进行数据传输，该比例为θm0θm≤1；分配给任意第m1≤m≤M个无线传感器节点传输数据的时间为7、基站将上述能量传输时间和数据传输时间分配结果，即和通过SDCCH信道反馈给N个WPT发射源和手持终端；8、手持终端将上述能量传输时间和数据传输时间分配结果，即和通过SDCCH信道转发给M个无线传感器节点；9、能量传输阶段：任意第n1≤n≤N个WPT发射源设定其发射功率为Pn；全部N个WPT发射源并发传输能量，持续时间为10、数据传输阶段：任意第m1≤m≤M个传感器节点在各自被分配的时间段内向手持设备发送信息，第m个传感器节点的平均传输功率设定为11、本次无线能量和数据传输结束，转向步骤1开始下一无线能量和数据传输周期。步骤1和步骤2中，无线传感器节点和手持终端的距离一般在1米左右，无线传感器节点和基站的距离一般在1百米以上，无线传感器节点受到发射功率的限制，只能和近距离手持终端通信，而无法和基站直接通信。手持终端则具备较强的远距离通信能力，可以和基站通信。因此，无线传感器节点的数据传输请求必须先发送给手持终端，再由手持终端转发至基站；步骤4中和步骤5中，无线传感器节点和WPT发射源的距离一般在3米以内，无线传感器节点可以和WPT发射源通信获取信道衰落系数hn,m；无线传感器节点也可以和手持终端通信，获取信道衰落系数hm,H1≤m≤M。无线传感器节点在获取上述信道衰落系数后，必须先将其发送给手持终端，再由手持终端转发至基站；步骤6中，系统要在满足M个无线传感器节点最小数据传输速率需求的前提下提高网络资源的利用率，可以建模为如下数学最优化问题约束条件：通过求解上述最优化问题，基站得到最优的能量传输时间和数据传输时间分配结果，即和如式1和式2所示；步骤7和步骤8中，基站和无线传感器节点不能直接通信，基站需要先通过SDCCH信道将能量传输时间和数据传输时间分配结果，即和发送给手持终端，再由手持终端通过SDCCH信道将上述信息转发至M个无线传感器节点。本发明已经进行了多次仿真实验，下面介绍具体的实施例及其性能分析。参照图1给出的采用无线充电技术的无线体域网系统组成示意图，以及图2给出的无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案示意图，作如下参数设置：WBAN工作空间为长9m、宽9m、高3m的房间，4个WPT能量发射源安装在房间顶板，坐标分别为3.3m,3.3m,3m、6.6m,3.3m,3m、3.3m,6.6m,3m、6.6m,6.6m,3m；4个用于人体监测的无线传感器节点随着人体沿着房间的对角线移动，选定5个位置采样传感器节点所获得的吞吐量，这5个位置的坐标分别为1m,1m,1m、3m,3m,1m、5m,5m,1m、7m,7m,1m、9m,9m,1m。WPT能量发射源的发射功率Pn设置为20dBm，将传感器节点的能量收集效率ζm设置为0.75。对于每一个传感器节点，假设所收集的能量中用来进行数据传输的能量所占的比例θm为0.5，信号带宽w为1MHz，手持终端的噪声功率σ2为-114dBm。WPT能量发射源和无线传感器节点工作在同一频段，路径损耗指数为3.8，身体阴影衰落为一个均值为0方差为14dB的高斯分布随机变量。为了说明本发明提出方法的优势，本发明也对“整体速率最大化”方法和“强制相同速率”方法进行了仿真和比较。参照图3，介绍在5个采用位置，采用本发明所提出的无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案，以及“整体速率最大化”方法和“强制相同速率”方法，各种方法获取整体数据传输速率的比较示意图。参照图4，介绍在5个采用位置，采用本发明所提出的无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案，以及“整体速率最大化”方法和“强制相同速率”方法，各无线传感器节点获取数据传输速率的比较示意图。从图3和图4可知，可以看出“整体速率最大化”方法取得了最大的整体数据传输速率，但如图4所示，“整体速率最大化”方法也在传感器节点之间产生了最大数据传输速率差异，这说明该方法虽然取得了最好的系统效率但导致了节点间数据传输速率的严重公平性。相反，如图3所示，“强制相同速率”方法在获得的整体数据传输速率最小，但是从图4可以看出，“强制相同速率”方法给各个传感器节点分配了几乎相同的数据传输速率。这说明，“强制相同速率”实现了传感器节点获取数据速率的绝对公平性，然而却损失了系统整体效率。不同于“整体速率最大化”方法和“强制相同速率”方法，本发明所提出的方法可以在整体数据传输速率和各节点间获取的数据传输速率之间取得一个较好的折中，，即：本方法所获得的整体数据传输速率相较于“强制相同速率”方法有大幅度增加，但是有用较好无线信道的无线传感器节点能够获得较高的数据传输速率。参照图5，介绍在5个采用位置，采用本发明所提出的无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案，以及“整体速率最大化”方法和“强制相同速率”方法，各种方法获取的公平性指数比较示意图，公平性指数的范围是[0,1]，当公平性指数越小，说明节点之间获得的数据传输速率差异性越大；当公平性指数越大，说明节点之间获得的数据传输速率差异性越小。从图5可以看出，“整体速率最大化”方法获得的公平性指数总是低于0.4，“强制相同速率”方法的公平性指数接近于1，本发明所提出的方法获得的公平性指数总是大于0.9，这说明本发明所提出方法获得了较好的公平性。以上实验说明，本发明的仿真实验是成功的，实现了发明的目的。应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

权利要求：1.一种采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，其特征在于，包括以下步骤：S01：任意第m个无线传感器节点通过公共导频信道CPICH获取信道衰落系数，并通过SDCCH信道将其发送至手持终端；手持终端收到M个无线传感器节点的信道衰落系数后，通过SDCCH信道将其发送给基站；S02：基站获取全部M个无线传感器节的信道衰落系数后，分配给全部N个WPT发射源用于并发传输能量的时间为是以下方程的解：其中，ζm是任意第m个传感器节点的能量收集效率，任意第m个传感器节点使用部分接收能量进行数据传输，该比例为θm，hn,m表示第n个WPT发射源和第m个传感器节点之间信道的衰落系数，hm,H表示任意第m个传感器节点和手持终端之间信道的衰落系数，tm表示分配给任意第m个传感器节点的数据传输时间，T表示系统中任一能量和数据传输周期的时长，σ2表示系统无线信道的噪声功率，Pn表示任意第n个WPT发射源的发射功率；S03：分配给任意第m个无线传感器节点传输数据的时间为：S04：基站将和通过SDCCH信道反馈给N个WPT发射源和手持终端；手持终端将和通过SDCCH信道转发给M个无线传感器节点。2.根据权利要求1所述的采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，其特征在于，能量传输时间和数据传输时间的分配结果，通过以下步骤得到：S11：建模为数学最优化问题：S12：得到约束条件：其中，Rm为网络资源的利用率，w表示系统所占用的频谱带宽，Pm为第m个传感器节点的平均传输功率；S13：通过求解上述最优化问题，得到最优的能量传输时间和数据传输时间分配结果。3.根据权利要求1所述的采用WPT技术的WBAN的能量和数据传输时间分配方法，其特征在于，所述步骤S01之前还包括：在任意一个无线能量和数据传输周期开始前，M个无线传感器节点通过独立控制信道SDCCH向手持终端发送数据传输请求；手持终端收到M个无线传感器节点的数据传输请求后，通过SDCCH信道将该请求发送给基站；基站许可该请求后，开启一个新的无线能量和数据传输周期，并设定持续时间为T。

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