武警警官學(xué)院　劉永利　徐興貴　哈　達(dá)

無線體域網(wǎng)中的中繼選擇與功率分配

武警警官學(xué)院劉永利徐興貴哈達(dá)

伴隨計(jì)算機(jī)和無線通信技術(shù)的更新，無線網(wǎng)絡(luò)已進(jìn)軍各行各業(yè)，而無線體域網(wǎng) 提高人們生活的新生物。但是在WBAN中，節(jié)點(diǎn)的能耗成為了當(dāng)今研究的一個(gè)重點(diǎn)話題。針對(duì)節(jié)點(diǎn)能量受限的問題，本文從功率分配的角度進(jìn)行分析和研究，進(jìn)而提出了一種新的功率分配策略，來實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)WBAN的使用壽命和節(jié)能的目的。

無線體域網(wǎng)；協(xié)作通信；功率分配

1　引言

無線傳感器的一個(gè)重要分支就是無線體域網(wǎng)。如今已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了醫(yī)療保健系統(tǒng)當(dāng)中，成為了診斷程序的一部分。在WBAN中，每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)都具有處理和傳輸信息到基站的能力，為診斷醫(yī)療提供輔助［1］。但是無線體域網(wǎng)的運(yùn)用局限性強(qiáng)，傳輸距離短，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有能量局限。本文就體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)壽命兩方面進(jìn)行研究，通過引入?yún)f(xié)作通信網(wǎng)絡(luò)的功率分配策略，為WBAN的發(fā)展提供了新的思路。

WBAN中，首要考慮的問題就是網(wǎng)絡(luò)的壽命與節(jié)能的問題。文獻(xiàn)［2］中，提出了基于DF策略的中繼與分配方案，該方案也僅僅是在單個(gè)功率條件下討論這個(gè)問題，沒有進(jìn)行聯(lián)合式討論，文獻(xiàn)［3］提出了另外一種分配方案，在多源中繼情況下，將信源功率最小化來進(jìn)行中繼選擇，方案中，不僅降低了計(jì)算復(fù)雜度，發(fā)射功率也得到了良好的改善，但是該方案缺少了中繼節(jié)點(diǎn)位置在性能影響方面的考慮。

因此，本文提出在無線體域網(wǎng)中如何功率分配問題。當(dāng)只有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)參與協(xié)作時(shí)， 可利用微分方程來計(jì)算信源和中繼節(jié)點(diǎn)的功率大小，但如果節(jié)點(diǎn)過多，就很嫩求出相應(yīng)的功率分配解析解。

就需要利用最優(yōu)化算法——牛頓法，來實(shí)現(xiàn)功率分配問題。

2　功率分配

牛頓法計(jì)算步驟如下：

b） 求函數(shù)一階導(dǎo)數(shù)，計(jì)算出停止迭代的輸出值，否則進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。

c）通過牛頓方向，計(jì)算，得到：

求得下一輪迭代值，令k=k+1，然后跳轉(zhuǎn)第二步。

計(jì)算過程中，還要考慮λ值，所以要確定λ值，才能求解。

λ值是拉格朗日乘子在約束條件下的值，故，可將極限角度分成兩種情況，一種是中繼節(jié)點(diǎn)功率為0時(shí)，一種是節(jié)點(diǎn)擁有全部功率，故可得兩個(gè)值，即為上下界。

可以得出：

同理，由表達(dá)式（16），也可以得出另兩個(gè)的值：

可以得到關(guān)于的上界，由（4）和（5）可以得到關(guān)于的下界：

根據(jù)函數(shù)，可計(jì)算出λ的確定值，并將該值作為拉格朗日乘子：

3　仿真與分析

（1） 基于牛頓法的功率分配仿真與分析

其中，信道衰落因子為。

圖1所示，我們可知三個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)作通信時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率有顯著提升，且優(yōu)于等功率分配方案，隨著節(jié)點(diǎn)的增多，系統(tǒng)效率也得到了改善。

圖1　兩中繼系統(tǒng)總功率與傳輸速率關(guān)系

（2） 多中繼節(jié)能效率

提升利用率，減少功率損耗是分配的主要目的，但如果節(jié)點(diǎn)過多，會(huì)不會(huì)造成浪費(fèi)呢？所以我們又從效率的角度進(jìn)行仿真分析。

用協(xié)作鏈路來傳輸，中斷暫時(shí)鏈路，式（7）就可寫成：

令，那么在高信噪比的條件下就求得信源的功率大?。?/p>

所以可通過下式計(jì)算系統(tǒng)總功率：

如若節(jié)點(diǎn)用等功率來進(jìn)行分配，那么久可用下式進(jìn)行計(jì)算求得系統(tǒng)總功率：

由式（13）和（14）可求得，使用新分配方案后的能源節(jié)約百分率：

但是，最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)是滿足條件的，所以式（14）就改寫成：

這里可知道，節(jié)約能量并沒有與系統(tǒng)容量及信道狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，而是和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和分配系數(shù)相關(guān)。

圖2　中繼節(jié)點(diǎn)節(jié)省功率情況

圖2是最優(yōu)分配方案中節(jié)點(diǎn)節(jié)約能量的情況圖，我們可知，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，節(jié)點(diǎn)就能節(jié)約更多能量，但實(shí)際上，如果考慮用戶限制的代價(jià)問題，就不會(huì)采用很多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，但功率分配是可以起到節(jié)約能量的作用的。

4　總結(jié)

當(dāng)下，無線體域網(wǎng)已得到廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)上有很重要的作用。隨著研究的深入，研究體域網(wǎng)中能量節(jié)約和傳輸可靠性變得非常重要，而本文則提出了一種結(jié)合協(xié)作通信與無線體域網(wǎng)的思路，將功率分配應(yīng)用到體域網(wǎng)中，來提高其能量利用率和傳輸效能。

［1］M Wegmüller， Marc Simon. Intra-body communication for biomedical sensor networks. Vol. 68. No. 04. 2007.

［2］M.O.Pun，D.Brown，and H.Poor， “Opportunistic collaborative beam-forming with one-bit feedback，”IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.8，no.5，pp.2629-2641，May 2009.

［3］Mohammad Faisal Uddin， Chadi Assi and Ali Ghrayeb Concordia University， Montr ′eal （QC）， Canada， “Joint Optimal Relay Selection and Power Allocation in Multicast Cooperative Networks”［J］.IEEE ICC， PP： 5086-5091.2012.

劉永利（1987—），河北承德人， 碩士，武警警官學(xué)院助教，研究方向：無線通信。