[发明专利]基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体是基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法。

背景技术

无线体域网(WBAN，Wireless Body Area Network)是节点分布在人体体表、体内或人体周围的无线传输网络。节点用来监测人体生理信号(例如，体温、血糖、血压等)、动作信号和人体周围环境信息等。它融合了传感器、无线通信网络、生命科学与人类健康等众多前沿技术，可广泛应用于医疗保健、健康恢复、军事、体育和娱乐等领域。无线体域网具备诸多优势的同时，也面临着很多挑战。其中，最大的挑战之一是网络的能量受限。无线体域网中的传感器节点体积小，有些需要植入人体体内，不易更换电池。所以，设计高能效的无线体域网能量传输协议是极其重要的。

WBAN能量收集方面的研究，与传统的无线传感器网络不同。不仅要建立一个高效的信息传输机制，而且还需要一个高效的能量传输机制，实现能量和信息的同时传输，使网络长期稳定可靠的工作。然而，目前尚未见到切实有效的能量和信息同时传输方法与机制。另外，考虑到人体的舒适度，对节点的大小有很严格的要求，人类也经常在室内活动，通常使用的能量源(如太阳能，风能，水能等)在体域网中均不适用。

无线射频信号可以在传输信息的同时传输能量，因此，无线信息与能量同时传输成为一个十分具有应用前景的领域。能量与信息同时传输是一个此消彼长的过程，寻找能量和信息传输的平衡是研究的关键。现有的研究多为PS(power splitting)和TS(time splitting)两种接收模式。其中，在PS模式下，两个时间段采用均匀分配；在TS模式中，第二阶段和第三阶段同样采用时间均匀分配。并没有考虑在时间非均等分配时的情况，这会造成信息的吞吐量不是那么的理想。如果考虑时间不均等的分配情况，在多变量同时优化的结果下，势必增加系统的传输性能。

发明内容

本发明的目的在于提供基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于无线体域网的双向能量和信息中继辅助传输方法，具体步骤如下：

(1)构建无线体域网的能量与信息传输模型，源节点到目的节点的距离固定，中继节点的位置是移动的，根据中继节点的位置，得到相应的路径损耗和信道增益；

(2)根据功率分配协议和时间分配协议，提出基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法和基于时间分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法；

(3)根据所提出的传输方法，以每个周期内信息传输速率最大为优化目标，利用约束条件建立最优化策略；

(4)利用MATLAB仿真计算，求得系统唯一最优解，即在信息速率最大时所对应的最优功率分配比ρ^*，最优时间分配比λ^*和最佳中继位置。

作为本发明进一步的发明：所述步骤(1)中构建无线体域网的能量与信息传输模型的方法，包括：

1)节点的放置：

无线体域网是监测人体生理参数的传感器网络，节点放置在人体体表或者体内，采用三节点传输模型，源节点(S)通过中继(R)的帮助传输能量到目的节点(D)，同时，目的节点(D)在中继辅助下转发信息到源节点；传感器节点分布在100cm×100cm的人体躯干上，以平面中心为坐标原点，建立平面直角坐标系；源节点坐标为(0，0)，目的节点坐标为(50，0)，中继节点在平面内的坐标为(x，y)；

2)路径损耗与信道增益如公式(1)所示：

其中，P_L(d)[dB]是指人体传输路径损耗，n，d₀，P_L(d₀)是给定的参数，n＝3.23，d₀＝10cm，P_L(d₀)＝41.2dB，d为节点之间的距离；

定义人体传输的信道增益如公式(2)所示：

根据上述所述节点的放置情况，其中，源节点(S)到中继(R)的距离如公式(3)所示：

中继到目的节点的距离如公式(4)所示：

所以，源节点到中继的信道增益如公式(5)所示：

中继到目的节点间的信道增益如公式(6)所示：

作为本发明进一步的发明：所述步骤(2)中基于功率分配的无线体域网双向的能量和信息传输方法，具体如下：