[发明专利]无线体域网的同时分配时间和功率的能量收集优化方法

摘要

本发明公开了无线体域网的同时分配时间和功率的能量收集优化方法，属于无线通信领域，包括构建无线体域网单点能量收集模型；利用无线体域网信道模型、能量收集模型、信息传输模型以及优化目标，推导出最大化体域网信息吞吐量的时间比和传输功率的分配方法；提出最优时间和最优功率的求解算法。本发明针对无线体域网中能量收集装置的时间和功率分配问题，克服了传统电池固定生命周期具有局限性的缺点，同时也首次将时间分配与功率分配同时考虑并应用于无线体域网。在满足人体传输功率限制以及能量收集的约束条件下，该方法最大化了网络的信息吞吐量，更加适用于人体生理参数的健康监测。

主权项

无线体域网的同时分配时间和功率的能量收集优化方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)无线体域网单点能量收集模型，包括初始化、时间和功率优化、最优时间和功率分配判断；1)初始化：过程包括：无线体域网网络模型中汇聚节点AP和采集人体生理信息的传感器节点放置在固定位置不再改变；传感器节点本身不具有能量，所需要的能量由配备的能量收集装置提供；放置结束后，传感器节点利用能量收集装置收集能量，能量来源包括运动能量，生物能量；当能量达到启动值时，允许信息传输过程开启，传感器节点将采集到的信息传输给AP节点，完成网络的组建；2)时间和功率优化：先进行能量收集再进行信息传输的协议，在第一段时间t∈(0,τT)内，能量收集装置持续收集能量，能量超过启动阈值Eon时，第二阶段t∈(τT,T)信息传输过程开启，同时收集装置继续收集能量，但受信息传输的干扰，使能量转换效率下降，代表该方法的信息吞吐量函数R(τ,Pt)如下公式(1)所示：其中，τ是信息传输过程启动前的时间占比，Pt是信息传输功率，(1‑τ)表示信息传输过程时间占比，|h|2是信道功率增益，N0是噪声功率；3)最优时间和功率分配判断：时间τ和功率Pt动态变化过程中，最优的时间比τ*和最优的传输功率Pt*使相应的信息吞吐量R(τ,Pt)达到最大，并且符合人体工作环境；(2)时间和功率优化方法：得到使吞吐量最大化的最优时间比τ*和最优传输功率Pt*的步骤如下：1)路径损耗模型：路径损耗模型用于表示AP节点与生理信息采集传感器节点间的路径损耗PdB，表示如下公式(2)所示：PdB＝P0dB+10nlog(d/d0)    公式(2)；其中，d0是参考距离，P0dB是相对于参考距离d0的路径损耗，n是路径损耗指数，d是AP节点与生理信息采集传感器节点间的距离，参数设置分别为：n＝5.8，d0＝0.1m，P0dB＝56.1，d＝25cm；2)能量收集模型：能量收集过程获得的总能量为Eh，具体的能量收集条件下的控制模型如下公式(3)所示：Eh＝E0+E1＝ρ[τ+(1‑τ)η]T   公式(3)；其中，E0＝ρτT是能量收集装置在第一阶段收集的能量，ρ代表能量收集速率，τ是第一阶段的时间占比，T是时间周期，在该阶段能量收集装置的转换效率假定为1；E1＝ρ(1‑τ)ηT是能量收集装置在能量转换效率发生衰减的第二阶段收集的能量，(1‑τ)代表第二阶段的时间占比，η代表衰减后的能量转换效率；3)信息传输模型：能量收集装置所能提供的用于信息传输的平均功率为Ph，具体的传输模型如下公式(4)所示：Ph＝Eh/[(1‑τ)T]＝ρ(τ/(1‑τ)+η)  公式(4)；其中，(1‑τ)T代表信息传输所占时间；4)优化目标：优化目标是最大化无线体域网的信息吞吐量R(τ，Pt)，优化问题表示如下公式(5)所示：max R(τ，Pt)s.t.C1 E0≥EonC2 Ph≥PtC3 Pt≤PmaxC4 Pt≥0   公式(5)；其中，s.t是subjectto的缩写，表示受约束条件，C1表示第一阶段收集能量E0必须超过启动能量Eon，传输过程才开启；C2表示传感器节点的信息传输功率Pt必须不大于能量收集装置提供的平均功率Ph；C3表示传输功率Pt必须不大于人体网络环境所能承载的最大功率Pmax；C4表示传输功率Pt必须为非负值；5)最优策略：将能量收集模型的完全表达式公式(5)所表示的优化问题中，得到公式(6)：max R(τ，Pt)s.t.C1ρτT≥EonC2ρ(τ/(1‑τ)+η)≥PtC3 Pt≤PmaxC4 Pt≥0          公式(6)；显然，Pt和τ被引入到优化问题，通过求解优化问题，得到最优的传输功率Pt*和最优的时间比τ*，再利用公式(1)中R(τ，Pt)的表达式，最终得到该能量收集装置在该策略下的最大吞吐量；(3)求解策略：采用分段求导的方式，提出了一种分段求解的方法，通过求出每段区间的局部最优值再进行对比的方法得出全局最优解，具体算法如下：首先，得到影响区间划分的两个特殊值点，临界值最小值两个特殊值点的大小影响分段区间的局部最优解；然后，将区间划分为子区间分别求得子区间的最优时间比和最优传输功率；当τcritical＜τmin时，R是τ的减函数，同时是Pt的增函数，所以此时全局最优解为τ*＝τmin，Pt*＝Pmax；当τcritical≥τmin时，优化问题表示如下公式(9)所示：max R(τ，Pt)s.t.0≤Pt≤ρ(τ/(1‑τ)+η)，τ∈(τmin，τcritical)0≤Pt≤Pmax，τ∈(τcritical，1)       公式(9)；其中，τ∈(τmin,τcritical)时，局部最大值R1_max＝(1‑τ)log2(1+ρ(τ/(1‑τ)+η)Γ)公式(10)，通过求导将形式转变为Lambert W函数的形式，得到局部最优解为τ∈(τcritical,1)时，局部最大值R2_max＝(1‑τcritical)log2(1+PmaxΓ)公式(12)；最后，比较分段区间最优值得到全局最优值，对应的吞吐量即为最大吞吐量；具体为以下三种情况：①τ0*＜τmin：R1_max＝(1‑τmin)log2(1+ρ(τmin/(1‑τmin)+η)Γ)  公式(13)；②τmin≤τ0*≤τcritical：R1_max＝(1‑τ0*)log2(1+ρ(τ0*/(1‑τ0*)+η)Γ)  公式(14)；③τ0*＞τcritical：R1_max＝(1‑τcritical)log2(1+ρ(τcritical/(1‑τcritical)+η)Γ)  公式(15)；获得最大吞吐量Rmax＝max(R1_max,R2_max)公式(16)，最优时间比τ*为获得最大吞吐量时的时间比，最优传输功率Pt*为获得最大吞吐量时的传输功率。