管張均,顧肖凌

(上海海事大學(xué) 電子工程系,上海 201306)

0 概述

隨著無線通信技術(shù)和現(xiàn)代醫(yī)療健康的快速發(fā)展,近年來在醫(yī)療健康領(lǐng)域涌現(xiàn)出一項(xiàng)新興技術(shù)——無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network,WBAN)。在相關(guān)研究中,文獻(xiàn)[1-2]關(guān)注了無線體域網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service,QoS)、能效以及網(wǎng)絡(luò)魯棒性,文獻(xiàn)[3-4]研究了采用協(xié)作方式的無線體域網(wǎng)傳輸機(jī)制,文獻(xiàn)[5]提出了優(yōu)化無線體域網(wǎng)能效的調(diào)度策略。無線體域網(wǎng)屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN),其基本結(jié)構(gòu)由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)人體生理信號(hào)進(jìn)行采樣、處理,然后將其發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn),并由中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心或醫(yī)療機(jī)構(gòu)。基于無線體域網(wǎng)的電子健康應(yīng)用能夠以實(shí)時(shí)、低成本、便捷的方式解決健康問題,緩解公共醫(yī)療系統(tǒng)的壓力,使得醫(yī)療資源能合理分配[6]。但是,無線體域網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用也存在著諸多問題,例如:無線體域網(wǎng)是能量受限網(wǎng)絡(luò),其中傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電,對(duì)于植入人體的節(jié)點(diǎn),更換電池是不方便的。2012年2月,IEEE 802.15.6工作組發(fā)布了無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[7],涵蓋了無線體域網(wǎng)的各個(gè)方面,包括物理層、媒體接入控制層和安全模式等,制定了人體內(nèi)和人體附近的無線短距離通信標(biāo)準(zhǔn)[8]。近年來,無線體域網(wǎng)已成為無線通信特別是無線傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,相關(guān)研究成果不斷涌現(xiàn)。

文獻(xiàn)[9]介紹了體表通信的信道特性并設(shè)計(jì)了無線體域網(wǎng)的能效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度對(duì)無線體域網(wǎng)的能效問題進(jìn)行探討[10]。近年來,協(xié)作通信的概念被引入到無線體域網(wǎng)中,研究者通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)來提高網(wǎng)絡(luò)的能效和可靠性,同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)干擾。文獻(xiàn)[11]利用基于IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和協(xié)作通信技術(shù)以及人體耦合通信技術(shù)減少了無線體域網(wǎng)的能耗[10]。文獻(xiàn)[12]通過基于IEEE P802.15的信道模型對(duì)醫(yī)療植入系統(tǒng)協(xié)作機(jī)制下的無線體域網(wǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析,其中傳感器節(jié)點(diǎn)在美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission,FCC)規(guī)定的安全功率范圍內(nèi)工作,有效降低了網(wǎng)絡(luò)的中斷概率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率,減少了無線體域網(wǎng)的能耗[10]。文獻(xiàn)[13]引入博弈論中的納什均衡理論,用于解決無線體域網(wǎng)的中繼選擇和功率分配問題中,在系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的限制下,每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)尋求自己的最優(yōu)節(jié)能策略,并提供端到端延時(shí)的上界,該理論提高了嚴(yán)重衰落下的移動(dòng)無線體域網(wǎng)系統(tǒng)性能。

由于無線體域網(wǎng)的能量受限特性,網(wǎng)絡(luò)生存期的優(yōu)化是其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一[14],而該項(xiàng)技術(shù)的研究最早在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域就已開展[15]。針對(duì)該問題,本文建立兩跳無線體域網(wǎng)模型,給出2種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義并提出4種中繼選擇策略。

1 無線體域網(wǎng)模型

本文中考慮的無線體域網(wǎng),包括N個(gè)具有初始能量ε0的傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)AP。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹狀結(jié)構(gòu),傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)間可以通過直傳或者中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行通信。信道模型采用塊衰落信道,在每個(gè)時(shí)隙信道增益保持不變。如圖1所示,傳感器采集信息傳輸給中心節(jié)點(diǎn),再由中心節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)。一些節(jié)點(diǎn)平時(shí)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)信號(hào),但數(shù)據(jù)量較低,長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)。在信道嚴(yán)重衰落時(shí),這些節(jié)點(diǎn)能被動(dòng)態(tài)選擇為中繼節(jié)點(diǎn),幫助其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)以保障傳輸可靠性[6]。

圖1 無線體域網(wǎng)模型

2 網(wǎng)絡(luò)生存期定義與中繼選擇策略

假定任意兩節(jié)點(diǎn)之間的信道服從塊衰落模型,即信道狀況在每一次數(shù)據(jù)傳輸期間保持不變。在本文的無線體域網(wǎng)模型中,假設(shè)C是任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)傳輸時(shí)隙間的信道增益,根據(jù)小尺度衰落模型,C是一個(gè)隨機(jī)變量,其均值由兩節(jié)點(diǎn)間的路徑損耗決定。因此,由一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)所需的能量可表示為:

(1)

其中,εc是傳輸電路損耗。由于用達(dá)到目標(biāo)信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)所需的最小接收信號(hào)能量進(jìn)行歸一化處理,因此信道增益越大,傳輸數(shù)據(jù)所需的能量就越小。

假設(shè)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量為ε0,那么每個(gè)傳感器的剩余能量為一隨機(jī)變量,其值由前一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)男诺涝鲆鏇Q定。下面對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過程中傳感器的狀態(tài)做以下說明:

1)當(dāng)某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余能量無法完成下一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí),認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)是不“活躍”的。

2)當(dāng)某個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)完成了到中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,那么下一次該節(jié)點(diǎn)將不作為候選節(jié)點(diǎn)。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有一節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高,可以通過直傳或者中繼的方式傳輸數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)。以主節(jié)點(diǎn)是否能完成數(shù)據(jù)傳輸為標(biāo)準(zhǔn)來定義無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存期為:當(dāng)某一時(shí)刻,主節(jié)點(diǎn)無法傳輸數(shù)據(jù)到任一中繼節(jié)點(diǎn),或者沒有中繼節(jié)點(diǎn)能轉(zhuǎn)發(fā)主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn),或者主節(jié)點(diǎn)無法直傳數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn),此時(shí)網(wǎng)絡(luò)“死亡”,在此之前到中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)生存期。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)“死亡”時(shí),所有節(jié)點(diǎn)的剩余能量都被浪費(fèi)了,定義網(wǎng)絡(luò)的損失能量為:

(2)

其中,N是傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù),L是網(wǎng)絡(luò)“死亡”時(shí)完成的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù),Ei(L)是節(jié)點(diǎn)i的剩余能量。因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)經(jīng)歷不同的信道衰落,有不同的剩余能量,所以怎樣選擇中繼節(jié)點(diǎn)可以使網(wǎng)絡(luò)生存期最大化,即是本文要解決的問題。

文獻(xiàn)[11]給出了網(wǎng)絡(luò)生存期期望的通用模型,該模型不涉及具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸方式、生存期定義、信道衰落特征和能量消耗模型,其定義式為:

(3)

從之前的網(wǎng)絡(luò)生存期定義可以看到,無論采取何種中繼選擇策略,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)“死亡”時(shí),勢(shì)必大部分中繼節(jié)點(diǎn)還有充足的剩余能量,完全可以用來傳輸自己的數(shù)據(jù)。可見從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度考慮,第1種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義造成了資源的極大浪費(fèi),并不適合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。因此,可以給出第2種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義為:當(dāng)某一時(shí)刻,網(wǎng)絡(luò)中沒有任何節(jié)點(diǎn)能傳輸數(shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)時(shí),網(wǎng)絡(luò)“死亡”,在此之前到中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)即為網(wǎng)絡(luò)生存期。具體執(zhí)行過程如下:

1)當(dāng)至少有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)是“活躍”的,并且主節(jié)點(diǎn)至少能傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),先按照某種策略選擇中繼節(jié)點(diǎn),判斷此時(shí)主節(jié)點(diǎn)到選擇的中繼節(jié)點(diǎn)能否完成數(shù)據(jù)傳輸,如能,則進(jìn)行主節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的兩跳傳輸;否則選擇的中繼節(jié)點(diǎn)直傳自己的數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)。

2)當(dāng)至少有一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)是“活躍”的,并且主節(jié)點(diǎn)不能傳輸數(shù)據(jù)至中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),中繼節(jié)點(diǎn)采取相應(yīng)的中繼選擇策略直傳自己的數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)。

3)當(dāng)沒有中繼節(jié)點(diǎn)是“活躍”的,并且主節(jié)點(diǎn)至少能傳輸數(shù)據(jù)到一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)時(shí),判斷主節(jié)點(diǎn)能否直傳,如能,則進(jìn)行直傳;否則宣告網(wǎng)絡(luò)“死亡”。

3 仿真結(jié)果與分析

在本文仿真中,兩跳之間均為瑞利衰落信道,蒙特卡洛仿真次數(shù)為104次。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量ε0=5 J,傳輸電路損耗εc=0.01 J,信道估計(jì)損耗εs=0.001 J。圖2給出了第1種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下網(wǎng)絡(luò)生存期隨傳感器初始能量的變化曲線。此時(shí)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)為5,所有需要獲知信道增益的選擇策略均考慮了信道估計(jì)所消耗的能量。

圖2 網(wǎng)絡(luò)生存期與傳感器初始能量的關(guān)系曲線1

從圖2可以看出,隨著傳感器初始能量的增加,在所有傳輸策略下,網(wǎng)絡(luò)生存期都呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。比較不同的傳輸策略可知:直傳策略下網(wǎng)絡(luò)生存期最小;任意選擇中繼節(jié)點(diǎn)和選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)策略,相較直傳策略略有提升,但是提升幅度不大;選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略,相較前三種傳輸策略,網(wǎng)絡(luò)生存期有了較大提升;選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略是所有傳輸策略中網(wǎng)絡(luò)生存期最大的。原因在于:在第1種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下,網(wǎng)絡(luò)生存期主要取決于主節(jié)點(diǎn)的能耗情況;直傳、任意選擇中繼節(jié)點(diǎn)和選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)都沒有考慮信道狀況,不能減小主節(jié)點(diǎn)每一次傳輸?shù)哪芎?因此這三種傳輸策略下的網(wǎng)絡(luò)生存期最小,而且近乎一致;選擇兩跳信道增益之和最大,在某種程度上減小了主節(jié)點(diǎn)每一次傳輸?shù)哪芎?因此網(wǎng)絡(luò)生存期有了很大提升;但是該策略并不能保證主節(jié)點(diǎn)的能耗最小,因此其網(wǎng)絡(luò)生存期并不是最大的,只有選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略才能使第一種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下的網(wǎng)絡(luò)生存期最大化。但是,在第一種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下,網(wǎng)絡(luò)“死亡”時(shí),大部分中繼節(jié)點(diǎn)仍有充足的能量去傳輸數(shù)據(jù),因此從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的角度考慮,第一種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義造成了資源的極大浪費(fèi),并不適合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

圖3給出了第1種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下網(wǎng)絡(luò)生存期隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化曲線,此時(shí)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量ε0=5 J。

圖3 網(wǎng)絡(luò)生存期與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線1

從圖3可以看出,任意選擇中繼節(jié)點(diǎn)和選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)策略并不能隨著中繼節(jié)點(diǎn)的增加帶來網(wǎng)絡(luò)生存期的提升,因?yàn)檫@兩種策略并不能隨著中繼節(jié)點(diǎn)的增加選擇到信道狀況更好的中繼節(jié)點(diǎn),從而減小主節(jié)點(diǎn)的能耗。選擇兩跳信道增益之和最大和選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略,都偏向選擇信道狀況更好的中繼節(jié)點(diǎn),因此其網(wǎng)絡(luò)生存期相比前兩種策略都有了很大提升。其中前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略,更是直接關(guān)注主節(jié)點(diǎn)的能耗,因此其網(wǎng)絡(luò)生存期隨中繼節(jié)點(diǎn)的增加提升最大。但是由于主節(jié)點(diǎn)的初始能量是有限的,在第一種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下,這種提升會(huì)隨著中繼節(jié)點(diǎn)的增加達(dá)到某個(gè)極限。也就是說,當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量足夠大時(shí),節(jié)點(diǎn)的增加帶來網(wǎng)絡(luò)生存期的提升非常有限。

圖4給出了平均損失能量隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化曲線。根據(jù)第1種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義,網(wǎng)絡(luò)“死亡”時(shí),大部分中繼節(jié)點(diǎn)仍有充足的能量去傳輸數(shù)據(jù),因此,網(wǎng)絡(luò)平均損失能量近似為中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)減一個(gè)傳感器初始能量之和。即使是選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略,其平均損失能量減小的幅度也很有限。這造成了資源的極大浪費(fèi),從而引出了第2種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義。

圖4 平均損失能量與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線1

圖5給出了第2種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下網(wǎng)絡(luò)生存期隨傳感器初始能量的變化曲線。同樣地,隨著傳感器初始能量的增加,在所有傳輸策略下,網(wǎng)絡(luò)生存期都呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì),而且比第1種網(wǎng)絡(luò)生存期定義都有了極大提升。比較不同的傳輸策略可知:任意選擇中繼節(jié)點(diǎn)和選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)策略,未考慮信道狀況,獲得了最小的網(wǎng)絡(luò)生存期;選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略,綜合考慮了兩跳的信道狀況,在第2種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下獲得了最大的網(wǎng)絡(luò)生存期。原因在于:在第2種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下,網(wǎng)絡(luò)生存期取決于每一跳的能耗情況,此時(shí)所有節(jié)點(diǎn)的能量被充分利用,因此,網(wǎng)絡(luò)資源利用率極高。

圖5 網(wǎng)絡(luò)生存期與傳感器初始能量的關(guān)系曲線2

圖6給出了第2種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下網(wǎng)絡(luò)生存期隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化曲線。不同于圖3,第2種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義充分利用了每一節(jié)點(diǎn)的能量,因此任意選擇中繼節(jié)點(diǎn)和選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)策略隨著中繼節(jié)點(diǎn)的增加也帶來了網(wǎng)絡(luò)生存期的提升,但是由于未考慮信道狀況,兩者的網(wǎng)絡(luò)生存期相較其他策略最小。而此時(shí)選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略,充分考慮了兩跳的信道狀況,因此其網(wǎng)絡(luò)生存期最大。在第2種網(wǎng)絡(luò)生存期定義下,網(wǎng)絡(luò)生存期會(huì)隨著中繼節(jié)點(diǎn)的增加近似線性增長(zhǎng),大幅提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

圖6 網(wǎng)絡(luò)生存期與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線2

圖7給出了平均損失能量隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化曲線。從中可以看到,根據(jù)第2種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義,網(wǎng)絡(luò)“死亡”時(shí),所有傳感器節(jié)點(diǎn)的能量得到了充分利用,因此網(wǎng)絡(luò)平均損失能量小于單節(jié)點(diǎn)初始能量的一半。在所有策略下,該曲線都有隨中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加略有下降又略有上升的趨勢(shì),而且當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)較小時(shí),選擇剩余能量最大的中繼節(jié)點(diǎn)策略的平均損失能量在所有策略下最小。

圖7 平均損失能量與中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)的關(guān)系曲線2

4 結(jié)束語

本文分別從主節(jié)點(diǎn)和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的角度給出2種無線體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期的定義,并結(jié)合兩跳的信道狀況以及節(jié)點(diǎn)的剩余能量,提出4種中繼選擇策略。仿真結(jié)果表明,第2種網(wǎng)絡(luò)生存期的定義充分利用了網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量資源,并且選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略可以使網(wǎng)絡(luò)生存期達(dá)到全局最優(yōu)。本文的分析結(jié)果對(duì)無線體域網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)布局具有一定的參考意義。下一步工作是將中繼協(xié)議納入到網(wǎng)絡(luò)生存期優(yōu)化中,考察不同的中繼協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)生存期的影響。