[发明专利]无线体感网中能量和数据协同传输调度方法

说明书

本发明公开了一种无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，AP按照从各簇头接收的数据传输时间使用TDMA方式对各个节点的传输时段进行调度；WPT阶段：任意第m个PB将其发射功率设为P_m，M个PB并发传输能量，持续时间为φ；第1个WIT阶段：网络中第k个簇中的普通节点在各自被分配的时间段内向簇头传输信息，所使用的发射功率为第2个WIT阶段：网络中第k个簇中的簇头节点在各自被分配的时间段内向AP传输信息，所使用的发射功率为给出了WPT时间和两个WIT时间的最优分配结果以及调度方案，满足WBAN中全部节点的最小数据传输速率需求。

技术领域

本发明涉及一种针对能量和信息协同传输的无线体感网(WBAN)进行 能量和数据传输时间的分配和调度方法，控制多个无线射频能量发射源(PB) 向多个无线传感器节点进行WPT的时间；普通节点使用充电后的能量向簇 头节点上传感知信息的时间；以及簇头节点向基站(AP)上传全部感知信 息的时间，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线体感网(WBAN,Wireless Body Area Network)是实现下一代以病人 为中心的远程医疗的关键技术。病人配备可穿戴、小型化和低功耗的无线传 感器节点，这些传感器节点可以在不中断病人正常活动的情况下测量其体征 信息(如身体组织、健康状况，运动机能，乃至周边环境状况)并无线传输 至远程医疗终端与病人的病历进行无缝结合。现有的针对WBAN的无线传 输和通信协议包括：IEEE 802.15.4、ZigBee、低功耗蓝牙(BLE)和Wi-Fi等， 即便如此，WBAN的进一步发展仍面临着两大内在挑战：(1)缺乏与生理数 据有关的环境信息(这可能导致感知认知困难甚至偏误)；(2)可穿戴设备体积 较小以及使用环境所导致的电池寿命瓶颈。

在传统电池驱动的WBAN中，蓄电池的容量有限且不便于充电或更换， 此外，由于WBAN通信链路受到人体周围环境和移动所引起的能量吸收和 多径信道衰落的影响，其服务质量(QoS)保障更具有挑战性，如数据速率、 延迟和可靠性等。为了向WBAN提供更高的能量使用效率和更高的服务质 量，需要设计介质访问控制(MAC)和资源分配机制来调度传感器节点的通信 和占空比。尽管WBAN的MAC技术有所进步，但是其连续供电问题仍未 得到根本解决。

近年来新兴的无线能量采集技术为解决这一难题提供了一种可行的解 决方案[1]。在各种无线能量采集方案中，专用射频(RF,Radio Frequency) 能量源不依赖自然环境，比如风，振动和太阳，因此，无线射频能量传输(WPT, Wireless Power Transfer)比其他能量源更适合于WBAN应用环境。在基于 无线射频能量传输的WBAN络中，预先部署的无线射频能量辐射基站(PB, Power Beacon)[2]用来发射射频能量，而传感器节点则有射频能量采集模块 和能量存储模块用于接收和存储射频能量。由于射频信号可以同时携带能量和信息，这种网络被称为信息和功率并发传输(SWIPT)网络，因此，应优化 设计WPT链路和无线信息传输(WIT,Wireless Information Transmission) 链路之间的时间切换方法[3]。在参考文献[4]中，作者最大化SWIPT网络中 具有单一PB的所有无线节点的共同吞吐量。文献[5]中以无线节点的位置为 考量点优化射频源的部署位置。文献[6]研究了确定性能量采集模型和随机 能量模型两种情况下的吞吐量最大化问题。文献[7]证明了一个注水能量分 配方案，其中所谓的水位沿着阶梯是最优的。在文献[8]中，作者考虑了块 随机能量采集模型，并利用动态规划和凸优化理论推导出吞吐量最大化问题 的最优功率分配策略。