CN103607786B - 一种无线体域网的能效传输方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于无线通信技术领域，公开了一种无线体域网的能效传输方法，包括：建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型，获得传输速率的取值范围，通过根据单位比特能量消耗模型和传输速率的最小值，计算出一个阈值距离；若当前传输距离小于阈值距离，则根据单位比特能量消耗模型和传输速率的取值范围采用优化算法求出最佳传输速率，并以该最佳传输速率进行数据传输。本发明还公开了一种无线体域网的能效传输装置。采用本发明，可降低传输距离较短的无线体域网通信系统的能量消耗，有效提高电池的使用寿命。

Description

一种无线体域网的能效传输方法及装置

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种无线体域网的能效传输方法及装置。

背景技术

无线体域网（WBAN，Wireless Body Area Network）是一种以人体为中心，由和人体相关的网络元素等组成的通信网络。近年来，随着无线技术的高速发展，无线体域网因其便携性等优点，也越来越被广泛应用，主要的热门应用方向为远程医疗服务、娱乐及军事等。

无线体域网通过在人体周围或皮肤表面放置不同的网络节点，这些网络节点组成一个围绕人体的局域网，通过无线方式进行数据传输。然而，由于网络节点的能量主要是由电池供电，而电池的能量非常有限，因此，电池的能量消耗直接决定了电池的使用寿命。通常，在无线通信系统中，能量消耗大体上可分为电路消耗的能量（即电路能耗）和在无线链路上发送无线信号消耗的能量（即传输能耗），当无线通信系统的传输距离较长时，传输能耗占主要部分；当无线通信系统的传输距离较短时，电路能耗和传输能耗可以相抗衡。目前，现有的无线通信网能耗优化方法通常将电路能耗忽略不计，只考虑传输能耗，通过降低数据的传输速率，来实现降低能耗的目的。然而，在传输距离较短的无线体域网中，由于电路能耗不能被忽略，因此在传输距离较短的无线体域网中能量消耗仍然较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术对传输距离较短的无线体域网的能量消耗改善非常小的缺陷，提供一种无线体域网的能效传输方法，有效改善无线体域网通信系统的能量消耗，提高电池的使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种无线体域网的能效传输方法，包括：

根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型；

根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；

根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离；

若当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。

其中，所述建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型包括以下步骤：

根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；

根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型；

根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；

根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。

其中，所述获得传输速率的取值范围包括以下步骤：

根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值；

根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值；

根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。

其中，所述单位比特能量消耗模型为凸函数。

其中，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。

相应地，本发明还提供了一种无线体域网的能效传输装置，包括：

模型建立模块，用于根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型；

获得模块，用于根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；

阈值计算模块，用于根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离；

优化模块，用于当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。

其中，所述模型建立模块包括：

确定单元，用于根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；

第一建立单元，用于根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型；

第一计算单元，用于根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；

第二建立单元，用于根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。

其中，所述获得模块包括：

第二计算单元，用于根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值；

第三计算单元，用于根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值；

获得单元，用于根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。

其中，所述单位比特能量消耗模型为凸函数。

其中，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。

实施本发明，具有如下有益效果：

根据单位比特能量消耗模型和传输速率的最小值，首先计算出一个阈值距离，该阈值距离和传输速率的最小值为所有可能取值的传输速率和传输距离构成的无数组组合中能量消耗最小的一种组合；然后比较当前传输距离与阈值距离的大小，若当前传输距离小于阈值距离，则根据单位比特能量消耗模型和传输速率的取值范围采用优化算法求出最佳传输速率，并以该最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。采用本发明，能有效降低无线体域网通信系统的能量消耗，提高电池的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的无线体域网的能效传输装置的实施例结构组成示意图；

图2是本发明的图1中的模型建立模块的其中一种结构组成示意图；

图3是本发明的图1中的一种节点工作的时序示意图；

图4是本发明的图1中的获得模块的其中一种结构组成示意图；

图5是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的流程示意图；

图6是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的单位比特能耗与传输速率及传输距离的关系曲线图；

图7是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的各能耗与调制级数的关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明的无线体域网的能效传输装置的实施例结构组成示意图，该装置包括：模型建立模块10、获得模块11、阈值计算模块12和优化模块13。

模型建立模块10，用于根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型M。单位比特能量消耗模型M是指通信系统在传输一单位比特的信息量时系统所消耗的能量E_bit，其中，系统所消耗的能量包括电路能耗和传输能耗，在WBAN系统中，电路能耗为传输速率R的递减函数，传输能耗为传输速率R的递增函数。根据无线体域网设备的工作场景和工作频带的不同，信道分组可分为CM(Channel Model,单通道模式)1、CM2和CM3。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例中的模型建立模块10可以如图2所示，为本发明的图1中的模型建立模块的其中一种结构组成示意图，其中，模型建立模块10包括：确定单元101、第一建立单元102、第一计算单元103和第二建立单元104。

确定单元101，用于根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型M的结构。在WBAN通信系统中，节点工作的时序是基于占空比的实时处理过程，参见图3，为本发明的图1中的一种节点工作的时序示意图。在活跃期T_ac时间内，穿戴在人体表面或置于人体内部的传感器节点对感知和采集到的微弱的人体生理信号进行放大、滤波和调制等处理后，通过无线的方式发送到人体附近的基站或移动单元进行处理；完成这一传输过程后，节点转换到休眠模式以节省能量，在休眠期T_sl时间内，节点中的大部分电路元件处于断开状态，由于CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）电路体积越来越小，在休眠期T_sl内消耗的能量不能被忽略。因此，概括地说，节点工作包括三种工作时期：活跃期T_ac、休眠期T_sl和转换期T_tr，其中转换期T_tr包括从活跃期转换到休眠期的时间T_ac→sl和从休眠期转换到活跃期的时间T_sl→ac。一般来说，从活跃期转换到休眠期的时间T_ac→sl相对于从休眠期转换到活跃期的时间T_sl→ac来说可以忽略不计，同时，从休眠期转换到活跃期的时间T_sl→ac又远小于活跃期的时间T_ac，因此，转换期T_tr时间内消耗的能量可以忽略不计。经过以上分析，可得上行链路在时间T内传输L比特的信息时所消耗的能量E_L可以表示为：

E_L＝P_ac·T_ac+P_sl·T_sl (1)

式（1）中，T_ac为活跃期的时间，T_sl为休眠期的时间，P_ac为传感器节点处于活跃期内系统的功率，P_sl为传感器节点处于休眠期内时系统的功率，同时，T_ac+T_sl＝T。

其中，功率P_ac包括射频端功放的功率P_PA和整个链路中电路元器件的功率P_c:

P_ac=P_PA+P_c (2)

式（2）中，对于固定的链路，P_c一般为常量，射频端功放的功率P_PA由发射功率P_t和射频端功放的电路功率P_amp组成:

P_PA=P_t+P_amp (3)

其中，

$P_{\mathrm{amp}}=(\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}-1)P_t---\left(4\right)$

式（4）中，ρ为射频端功放的漏极效率，PAR为信号的峰均比。

因此，活跃期内系统的功率P_ac可表示为：

$P_{\mathrm{ac}}=\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·P_t+P_c---\left(5\right)$

于是，可得单位比特能量消耗模型M的结构为：

$E_{\mathrm{bit}}=\frac{(\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·P_t+P_c)\·T_{\mathrm{ac}}+P_{\mathrm{sl}}\·T_{\mathrm{sl}}}{L}---\left(6\right)$

第一建立单元102，用于根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型M1，其中，路径损耗（PL，Path Loss）是指在发射器和接收器之间由传播环境引入的损耗量。由于在CM3信道组中，不同频带的链路所对应的路径损耗模型也不同，但方法一致，可以类似推出最终的单位比特能量消耗模型M，为方便描述本发明实施例的具体计算过程，本发明实施例选取覆盖频段为950-956MHz的信道模型为例，其相应的路径损耗模型M1为：

$\mathrm{PL}=10\lg \frac{P_t}{P_r}=a\_\mathrm{loss}\·\mathrm{lgd}+b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss}---\left(7\right)$

式（7）中，PL为路径损耗，P_t为发射功率，P_r为接收端接收信号的功率，a_loss、b_loss为该路径损耗模型相应的线性拟合参数，d是以mm为单位的传输距离，N_loss为服从均值为0，标准方差为δ_N的正态分布。

第一计算单元103，用于根据所选择的调制方式和路径损耗模型M1，计算数据传输过程中系统的发射功率P_t。

从式（7）可得发射功率P_t为：

$P_t=P_r\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}---\left(8\right)$

在IEEE802.15.6标准中，CM3信道通信采用的调制方式是多进制数字相位调制（MPSK，Multiple Phase Shift Keying）调制，而MPSK(M≥4)调制对应的接收端的误码率（BER,Bit Error Rate）为：

$P_b=\frac{2}{b}Q(\sqrt{\frac{4P_r}{N}}\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2^b}\right))\≤\frac{1}{b}\·e^{-\frac{2P_r}{N}\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^b}\right)}---\left(9\right)$

式（9）中，b为调制级数，且b＝logM≥2，N为噪声功率，且N＝BN₀N_f，B为带宽，N₀/2为噪声的单边功率谱密度，N_f是接收端的噪声系数且N_total为接收端总的噪声功率。因此，由公式（9）可以得出接收信号的功率P_r为：

$P_r=-\frac{{\mathrm{BN}}_o{N}_f}{2}\·\frac{\ln \left({\mathrm{bP}}_b\right)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^b}\right)}---\left(10\right)$

另，PSK调制的带宽满足：

$B=\frac{1+\mathrm{\α}}{b}\·R---\left(11\right)$

式（11）中，b≥2，α为脉冲成形滤波器的滚降因子，R为传输速率，且

由公式（8）-（11），可得系统的发射功率P_t为：

$P_t=-\frac{{\mathrm{BN}}_o{N}_f}{2}\·\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·R\·P_b)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·R}}\right)}\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}---\left(12\right)$

第二建立单元104，用于根据单位比特能量消耗模型M的结构和发射功率P_t，建立单位比特能量消耗模型M。

由公式（6）和公式（12），可得单位比特能量消耗模型M为：

$E_{\mathrm{bit}}=\frac{\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2}\·(-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}R}}\right)})}{R}+\frac{P_c-P_{\mathrm{sl}}}{R}+\frac{P_{\mathrm{sl}}T}{L}---\left(13\right)$

同时，单位比特能量消耗模型M中的单位比特能量消耗值E_bit为传输速率R的凸函数。根据公式（13），可将E_bit表示为：

E_bit=cf(R)+g(R) (14)

式（14）中，c为常量，且 $c=\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2},$ cf(R)为传输能耗，且 $f\left(R\right)=-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{R\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·R}}\right)},$ g(R)为电路能耗，且 $g\left(R\right)=\frac{P_c-P_{\mathrm{sl}}}{R}+\frac{P_{\mathrm{sl}}\·T}{L}.$

对g(R)求二阶导数，可得：

$\frac{{\∂}^{2}g}{{\∂}^{2}R}=\frac{2(P_c-P_{\mathrm{sl}})}{R^3}>0---\left(15\right)$

由式（15）可知，g(R)是传输速率R的凸函数。

根据式（14），可将f(R)表示为：

$f\left(t\right)=-\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·\frac{\ln (t\·P_b)}{t\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^t}\right)}---\left(16\right)$

式（16）中，根据式（11），可知t≥2，因此有

根据式（16），可将f(t)表示为：

$f\left(t\right)=-\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·\frac{\ln (t\·P_b)\·2^{2t}}{t\·{\mathrm{\π}}^2}---\left(17\right)$

对f(t)求二阶导数，可得：

$\frac{{\∂}^{2}f}{{\∂}^{2}t}=\frac{1+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\π}}^{2}B}\·[\frac{4\ln 2\·2^{2t}[-(t\ln 2-1)\ln (t\·P_b)-1]}{t^2}+\frac{3\·2^{2t}-2^{2t+1}\ln (t\·P_b)}{t^3}---\left(18\right)$

式（18）中，ln2＜0，ln(t·P_b)＜0，t＞0。

因此，满足即f(t)为是t的凸函数，又因为即t是R的线性函数，可知f(R)是R的凸函数。

根据式（14）中，f(R)和g(R)均是R的凸函数，因此可知E_bit也是传输速率R的凸函数。

在本发明实施例中，针对具体选择的信道、链路和调制方式本发明不作限制，可以选择信道为CM3，链路为上行链路，调制方式为MPSK调制，也可以选择其它。

获得模块11，用于根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围。由于WBAN设备接近人体处，应以尽量低的功率发射信号以减少对其它设备或系统的干扰，同时保护人体不受损害，因此，受当地监管部门给出的最大的发射功率值的约束，传输速率R相应的也有一个最大值，实际的传输速率不能大于这个最大值。同样，受传输时延和调制级数的要求，实际的传输速率也不能太小。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例中的获得模块11可以如图4所示，为本发明的图1中的获得模块的其中一种结构组成示意图，其中，获得模块11包括：第二计算单元111，第三计算单元112和获得单元113。

第二计算单元111，用于根据传输时延和调制级数要求，计算传输速率R的最小值R_min。一方面，L比特的信息必须在时间T内传输完成，所以传输速率R必须满足不等式：

$R\≥\frac{L}{T}---\left(19\right)$

另一方面，根据调制级数的要求，由公式(11)可知传输速率R必须满足不等式：

$R=\frac{B}{1+\mathrm{\α}}b\≥\frac{2B}{1+\mathrm{\α}}---\left(20\right)$

因此，传输速率R的最小值R_min为：

$R_{\min }=\max \{\frac{L}{T},\frac{2B}{1+\mathrm{\α}}\}---\left(21\right)$

第三计算单元112，用于根据最大发射功率的要求，计算传输速率R的最大值R_max。最大的发射功率值由当地的监管部门给出，即发射功率要满足P_t≤P_max，根据公式(12)，不等式P_t≤P_max可以转换为：

$P_t={10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2}\·(-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}R}}\right)})\≤P_{\max }---\left(22\right)$

由于发射功率P_t随传输速率R递增，因此由不等式(22)可求出传输速率的最大值R_max为：

$R_{\max }=\{R:{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2}\·(-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}R}}\right)})=P_{\max }\}---\left(23\right)$

获得单元113，用于根据最小值R_min和最大值R_max，获得传输速率R的取值范围。由公式（21）和公式（23），获得传输速率R的取值范围为：

R∈[R_min,R_max] (24)

阈值计算模块12，用于根据能量消耗模型M和传输速率的取值范围中的最小值R_min计算阈值距离d_th，阈值距离d_th为传输速率R达最小值R_min时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离。由于系统所消耗的总能量由电路能耗和传输能耗组成，而电路能耗为传输速率的递减函数，传输能耗为传输速率的递增函数，因此，在已知的传输距离情况下，必然存在一个传输速率使得系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率，即在已知的传输距离情况下，该传输速率使得系统的能量消耗最小。在传输距离未知的情况下，由传输速率的取值范围以及上述分析可知，当传输速率取最小值R_min时，必可以找到一个传输距离（本发明中称其为阈值距离d_th），使得传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率，满足系统的能量消耗最小，即阈值距离d_th和传输速率的最小值R_min为所有可能取值的传输速率和传输距离构成的无数组组合中能量消耗最小的一种组合。若传输距离大于所述阈值距离d_th，则传输能耗为系统总能耗的主要部分；若传输距离小于所述阈值距离d_th，则电路能耗为系统总能耗的主要部分。

根据公式(13)和公式(21)，可得阈值距离d_th为：

$d_{\mathrm{th}}=\{d:\frac{\∂E_{\mathrm{bit}}}{\∂R}|(R=R_{\min })=0\}---\left(25\right)$

优化模块13，用于当前传输距离小于阈值距离d_th时，根据能量消耗模型M和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率R_opt，并以最佳传输速率R_opt进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。若当前传输距离小于阈值距离d_th，则该优化问题可转化为一个带线性约束的优化问题，其中，目标函数为使所述能量消耗模型M，且使能量消耗值E_bit最小，约束条件为传输速率的取值范围，该优化问题具体可表示为：

min E_bit (26)

s.t. R_min≤R≤R_max

采用优化算法求出最佳传输速率R_opt使能量消耗最小，优化算法包括内点法等凸优化算法。

本发明通过根据单位比特能量消耗模型和传输速率的最小值，首先计算出一个阈值距离；若当前的传输距离小于阈值距离，则根据单位比特能量消耗模型和传输速率的取值范围采用优化算法求出最佳传输速率，并以该最佳传输速率进行数据传输。采用本发明，可降低传输距离较短的无线体域网通信系统的能量消耗，从而有效提高电池的使用寿命。

可以理解的，本发明实施例中的无线体域网的能效传输装置可以是一种通信芯片，嵌入至节点或身体控制单元BCU（Body Control Unite）的收发信机。

参见图5，为是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的流程示意图，该方法包括：

S501：根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型。单位比特能量消耗模型M是指通信系统在传输一单位比特的信息量时系统所消耗的能量，其中，系统所消耗的能量包括电路能耗和传输能耗，在WBAN系统中，电路能耗为传输速率R的递减函数，传输能耗为传输速率R的递增函数。根据无线体域网设备的工作场景和工作频带的不同，信道分组可分为CM1、CM2和CM3。具体选择的信道、链路和调制方式本发明不作限制，本发明为方便描述具体的计算过程选择信道为CM3，链路为上行链路，调制方式为MPSK调制。

作为一种可选的实施方式，本发明实施例中建立单位比特能量消耗模型M的方法包括：

1).根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型M的结构。

在WBAN通信系统中，节点工作的时序是基于占空比的实时处理过程，参见图3，为本发明的图1中的一种节点工作的时序示意图。在活跃期T_ac时间内，穿戴在人体表面或置于人体内部的传感器节点对感知和采集到的微弱的人体生理信号进行放大、滤波和调制等处理后，通过无线的方式发送到人体附近的基站或移动单元进行处理；完成这一传输过程后，节点转换到休眠模式以节省能量，在休眠期Tsl时间内，节点中的大部分电路元件处于断开状态，由于CMOS电路体积越来越小，在休眠期T_sl内消耗的能量不能被忽略。因此，概括地说，节点工作包括三种工作时期：活跃期T_ac、休眠期T_sl和转换期T_tr，其中转换期T_tr包括从活跃期转换到休眠期的时间T_ac→sl和从休眠期转换到活跃期的时间T_sl→ac。一般来说，从活跃期转换到休眠期的时间T_ac→sl相对于从休眠期转换到活跃期的时间T_sl→ac来说可以忽略不计，同时，从休眠期转换到活跃期的时间T_sl→ac又远小于活跃期的时间T_ac，因此，转换期T_tr时间内消耗的能量可以忽略不计。经过以上分析，可得上行链路在时间T内传输L比特的信息时所消耗的能量E_L可以表示为：

E_L＝P_ac·T_ac+P_sl·T_sl (1)

式（1）中，T_ac为活跃期的时间，T_sl为休眠期的时间，P_ac为传感器节点处于活跃期内系统的功率，P_sl为传感器节点处于休眠期内时系统的功率，同时，T_ac+T_sl＝T。

其中，功率P_ac包括射频端功放的功率P_PA和整个链路中电路元器件的功率P_c:

P_ac=P_PA+P_c (2)

式（2）中，对于固定的链路，P_c一般为常量，射频端功放的功率P_PA由发射功率P_t和射频端功放的电路功率P_amp组成:

P_PA=P_t+P_amp (3)

其中，

$P_{\mathrm{amp}}=(\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}-1)P_t---\left(4\right)$

式（4）中，ρ为射频端功放的漏极效率，PAR为信号的峰均比。

因此，活跃期内系统的功率P_ac可表示为：

$P_{\mathrm{ac}}=\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·P_t+P_c---\left(5\right)$

于是，可得单位比特能量消耗模型M的结构为：

$E_{\mathrm{bit}}=\frac{(\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·P_t+P_c)\·T_{\mathrm{ac}}+P_{\mathrm{sl}}\·T_{\mathrm{sl}}}{L}---\left(6\right)$

2).根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型M1。

路径损耗是指在发射器和接收器之间由传播环境引入的损耗量。由于在CM3信道组中，不同频带的链路所对应的路径损耗模型也不同，但方法一致，可以类似推出最终的单位比特能量消耗模型M，为方便描述本发明实施例的具体计算过程，本发明实施例选取覆盖频段为950-956MHz的信道模型为例，其相应的路径损耗模型M1为：

$\mathrm{PL}=10\lg \frac{P_t}{P_r}=a\_\mathrm{loss}\·\mathrm{lgd}+b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss}---\left(7\right)$

式（7）中，PL为路径损耗，P_t为发射功率，P_r为接收端接收信号的功率，a_loss、b_loss为该路径损耗模型相应的线性拟合参数，d是以mm为单位的传输距离，N_loss为服从均值为0，标准方差为δ_N的正态分布。

3).根据所选择的调制方式和路径损耗模型M1，计算数据传输过程中系统的发射功率P_t。

从式（7）可得发射功率P_t为：

$P_t=P_r\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}---\left(8\right)$

在IEEE802.15.6标准中，CM3信道通信采用的调制方式是MPSK调制，而MPSK(M≥4)调制对应的接收端的误码率为：

$P_b=\frac{2}{b}Q(\sqrt{\frac{4P_r}{N}}\×\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{2^b}\right))\≤\frac{1}{b}\·e^{-\frac{2P_r}{N}\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^b}\right)}---\left(9\right)$

式（9）中，b为调制级数，且b＝logM≥2，N为噪声功率，且N＝BN₀N_f，B为带宽，N₀/2为噪声的单边功率谱密度，N_f是接收端的噪声系数且N_total为接收端总的噪声功率。因此，由公式（9）可以得出接收信号的功率P_r为：

$P_r=-\frac{{\mathrm{BN}}_o{N}_f}{2}\·\frac{\ln \left({\mathrm{bP}}_b\right)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^b}\right)}---\left(10\right)$

另，PSK调制的带宽满足：

$B=\frac{1+\mathrm{\α}}{b}\·R---\left(11\right)$

式（11）中，α为脉冲成形滤波器的滚降因子，R为传输速率，且

由公式（8）-（11），可得系统的发射功率P_t为：

$P_t=-\frac{{\mathrm{BN}}_o{N}_f}{2}\·\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·R\·P_b)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·R}}\right)}\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}---\left(12\right)$

4).根据所述单位比特能量消耗模型的结构和发射功率P_t，建立单位比特能量消耗模型M。

由公式（6）和公式（12），可得单位比特能量消耗模型M为：

$E_{\mathrm{bit}}=\frac{\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2}\·(-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}R}}\right)})}{R}+\frac{P_c-P_{\mathrm{sl}}}{R}+\frac{P_{\mathrm{sl}}T}{L}---\left(13\right)$

同时，单位比特能量消耗模型M中的单位比特能量消耗值E_bit为传输速率R的凸函数。根据公式（13），可将E_bit表示为：

E_bit=cf(R)+g(R) (14)

式（14）中，c为常量，且 $c=\frac{\mathrm{PAR}}{\mathrm{\ρ}}\·{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2},$ cf(R)为传输能耗，且 $f\left(R\right)=-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{R\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·R}}\right)},$ g(R)为电路能耗，且 $g\left(R\right)=\frac{P_c-P_{\mathrm{sl}}}{R}+\frac{P_{\mathrm{sl}}\·T}{L}.$

对g(R)求二阶导数，可得：

$\frac{{\∂}^{2}g}{{\∂}^{2}R}=\frac{2(P_c-P_{\mathrm{sl}})}{R^3}>0---\left(15\right)$

就由式（15）可知，g(R)是传输速率R的凸函数。

根据式（14），可将f(R)表示为：

$f\left(t\right)=-\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·\frac{\ln (t\·P_b)}{t\·{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^t}\right)}---\left(16\right)$

式（16）中，根据式（11），可知t≥2，因此有

根据式（16），可将f(t)表示为：

$f\left(t\right)=-\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·\frac{\ln (t\·P_b)\·2^{2t}}{t\·{\mathrm{\π}}^2}---\left(17\right)$

对f(t)求二阶导数，可得：

$\frac{{\∂}^{2}f}{{\∂}^{2}t}=\frac{1+\mathrm{\α}}{{\mathrm{\π}}^{2}B}\·[\frac{4\ln 2\·2^{2t}[-(t\ln 2-1)\ln (t\·P_b)-1]}{t^2}+\frac{3\·2^{2t}-2^{2t+1}\ln (t\·P_b)}{t^3}---\left(18\right)$

式（18）中，ln2＜0，ln(t·P_b)＜0，t＞0。

因此，满足即f(t)为是t的凸函数，又因为即t是R的线性函数，可知f(R)是R的凸函数。

根据式（14）中，f(R)和g(R)均是R的凸函数，因此可知E_bit也是传输速率R的凸函数。

在本发明实施例中，针对具体选择的信道、链路和调制方式本发明不作限制，可以选择信道为CM3，链路为上行链路，调制方式为MPSK调制，也可以选择其它。

S502：根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围。

由于WBAN设备接近人体处，应以尽量低的功率发射信号以减少对其它设备或系统的干扰，同时保护人体不受损害，因此，受当地监管部门给出的最大的发射功率值的约束，传输速率相应的也有一个最大值，实际的传输速率不能大于这个最大值。同样，受传输时延和调制级数的要求，实际的传输速率也不能太小。作为一种可选的实施方式，获得传输速率的取值范围包括：

1).根据传输时延和调制级数要求，计算传输速率R的最小值R_min。

一方面，L比特的信息必须在时间T内传输完成，所以传输速率R必须满足不等式：

$R\≥\frac{L}{T}---\left(19\right)$

另一方面，根据调制级数的要求，由公式(11)可知传输速率R必须满足不等式：

$R=\frac{B}{1+\mathrm{\α}}b\≥\frac{2B}{1+\mathrm{\α}}---\left(20\right)$

因此，传输速率R的最小值R_min为：

$R_{\min }=\max \{\frac{L}{T},\frac{2B}{1+\mathrm{\α}}\}---\left(21\right)$

2).根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率R的最大值R_max。

最大的发射功率值由当地的监管部门给出，即发射功率要满足P_t≤P_max，根据公式(12)，不等式P_t≤P_max可以转换为：

$P_t={10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2}\·(-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}R}}\right)})\≤P_{\max }---\left(22\right)$

由于发射功率P_t随传输速率R递增，因此由不等式(22)可求出传输速率的最大值R_max为：

$R_{\max }=\{R:{10}^{\frac{(b\_\mathrm{loss}+N\_\mathrm{loss})}{10}}\·d^{\frac{a\_\mathrm{loss}}{10}}\·\frac{{\mathrm{BN}}_0{N}_f}{2}\·(-\frac{\ln (\frac{1+\mathrm{\α}}{B}\·P_b\·R)}{{\sin }^2\left(\frac{\mathrm{\π}}{2^{\frac{1+\mathrm{\α}}{B}R}}\right)})=P_{\max }\}---\left(23\right)$

3).根据最小值R_min和最大值R_max，获得传输速率R的取值范围。

由公式（21）和公式（23），获得传输速率R的取值范围为：

R∈[R_min,R_max] (24)

S503：根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，阈值距离为传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离。

由于系统所消耗的总能量由电路能耗和传输能耗组成，而电路能耗为传输速率的递减函数，传输能耗为传输速率的递增函数，因此，在已知的传输距离情况下，必然存在一个传输速率使得系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率，即在该已知的传输距离情况下，该传输速率使得系统的能量消耗最小。在传输距离未知的情况下，由传输速率的取值范围以及上述分析可知，当传输速率取最小值R_min时，必可以找到一个传输距离（本发明中称其为阈值距离d_th），使得传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率，满足系统的能量消耗最小，即阈值距离d_th和传输速率R的最小值R_min为所有可能取值的传输速率R和传输距离d构成的无数组组合中能量消耗最小的一种组合。若传输距离d大于阈值距离d_th，则在系统所消耗的能量中传输能耗占主要部分；若传输距离d小于阈值距离d_th，则在系统所消耗的能量中电路能耗占主要部分。

根据公式(13)和公式(21)，可得阈值距离d_th为：

$d_{\mathrm{th}}=\{d:\frac{\∂E_{\mathrm{bit}}}{\∂R}|(R=R_{\min })=0\}---\left(25\right)$

S504：若当前传输距离小于所述阈值距离，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。

若当前传输距离小于所述阈值距离d_th，则该优化问题可转化为一个带线性约束的优化问题，其中，目标函数为使能量消耗模型M中的能量消耗值E_bit最小，约束条件为传输速率的取值范围，该优化问题具体可表示为：

min E_bit (26)

s.t. R_min≤R≤R_max

采用优化算法求出最佳传输速率R_opt使能量消耗值E_bit最小，优化算法可以选择内点法等凸优化算法。

范例说明：

为进一步清楚地描述本发明，本实施例以选取医院病房环境下的路径损耗模型为例，具体方法及计算公式的描述如上所述。附表1为医院病房环境下的路径损耗参数和CM3的信道参数，这些参数在不同的情况下可以进行重新设定。根据联邦通信委员会（FederalCommunication Commission，FCC）官方采用的应用于无线医疗遥测服务（WirelessMedical Telemetry Service，WMTS）的规定，最大传输功率值P_max＝1.5W ERP。附表2为在取附表1中各参数值的情况下，采用本发明的仿真结果。

参数确定后，将参数带入公式(13)，可知单位比特能耗E_bit为传输速率R和传输距离d的函数，单位比特能耗E_bit与传输速率R和传输距离d的关系如图6所示。参见图6，为本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的单位比特能耗与传输速率及传输距离的关系曲线图，图6中描述了不同传输距离d时单位比特能耗E_bit随传输速率R的变化，可以看出如前所述，单位比特能耗E_bit是传输速率R的凸函数，且当传输距离d很小时，单位比特能耗E_bit是非单调递增的，因为传输能耗随着传输距离d递增而电路能耗与传输距离d无关，而当传输距离d很小时，电路能耗和传输能耗相抗衡，电路能耗随传输速率的增大而减少，传输能耗随传输速率的增大而增大。因此，根据传输能耗和电路能耗之间的折中关系可以求得关于距离的一个阈值距离d_th，也就是说，当距离d大于阈值距离d_th时，传输能耗占单位比特能耗E_bit的主要部分，此时单位比特能耗E_bit是关于传输速率R的单调递增的函数（如图6中d＝2500mm的情况），在这种情况下，可以通过一些包调度算法在包延迟范围内尽量延长传输时间来最小化能耗；当传输距离d小于阈值距离d_th时，电路能耗与传输能耗相当，此时单位比特能耗E_bit是关于传输速率R的非单调的凸函数（如图6中d＝1000mm的情况），可以通过本发明求出最佳传输速率，并以最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。

更进一步地，根据公式(11)中传输速率R与调制级数b的关系，为方便说明，这里取传输距离d较小的情况举例说明，当d＝50mm时，传输能耗、电路能耗以及单位比特能耗E_bit和调制级数b的关系如图7所示。参见图7，为本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的各能耗与调制级数的关系曲线图，从图7可以看出传输能耗随调制级数b单调递增，由公式(11)中传输速率R与调制级数b的关系，相当于传输能耗随传输速率R单调递增，电路能耗随调制级数b单调递减，相当于电路能耗随传输速率R单调递减，因此，可以找出最优的一个调制级数b来最小化比特能耗E_bit。例如，从图7可以看出比特能耗E_bit在b≈6时最优。

将附表1中相应的参数带入公式(21)，计算得相应的传输速率最小值R_min为：

R_min＝480kbps

将附表1中相应的参数带入公式(25)，计算得相应的阈值距离为：

$d_{\mathrm{th}}=\{d:\frac{{\∂E}_{\mathrm{bit}}}{\∂R}|(R=R_{\min })=0\}=2499.8\left(\mathrm{mm}\right)$

即当传输距离d＜2499.8mm时，总比特能耗E_bit是传输速率R的凸函数，可以通过优化算法求得最佳传输速率R_opt使总比特能耗E_bit最小，仿真结果见附表2。在附表2中，d表示传输距离，R_max表示传输速率的最大值，R_opt表示采用本发明获得的最佳传输速率，R_min表示传输速率的最小值，E_bit-1表示采用本发明后的单位比特能量消耗值，E_bit-2为采用现有技术的单位比特能量消耗值，即采用最小的传输速率值进行传输时的单位比特能量消耗值，表示采用本发明后的能耗改善百分比，且

从附表2可以看出：最大的传输速率R_max和最佳传输速率R_opt均随传输距离d的增加而逐渐减小，这是因为传输能耗随传输距离d呈递增变化，传输距离d越接近阈值距离d_th，传输能耗占总能耗的比例就越大，最佳传输速率R_opt就越接近最小的传输速率R_min，也就是说，能耗的优化效率会随着传输距离d越接近阈值距离d_th而越来越小，反之亦然。例如在附表2中，当传输距离为10mm时，采用本发明可以节省59.77%的能量，而当传输距离为2000mm时，只有0.53%的能量被节省。可以说，传输距离越小，采用本发明节省的能量就越多。

附表1

附表2

综上所述，本发明通过根据单位比特能量消耗模型和传输速率的最小值，首先计算出一个阈值距离；若当前的传输距离小于阈值距离，则根据单位比特能量消耗模型和传输速率的取值范围采用优化算法求出最佳传输速率，并以该最佳传输速率进行数据传输。采用本发明，可降低传输距离较短的无线体域网通信系统的能量消耗，从而有效提高电池的使用寿命。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种无线体域网的能效传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型，所述单位比特能量消耗模型为凸函数；

根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；

根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离；

若当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小，其中，所述优化算法包括凸优化算法。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型包括以下步骤：

根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；

根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型；

根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；

根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得传输速率的取值范围包括以下步骤：

根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值；

根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值；

根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。

5.一种无线体域网的能效传输装置，其特征在于，包括：

模型建立模块，用于根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型，所述单位比特能量消耗模型为凸函数；

获得模块，用于根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；

阈值计算模块，用于根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离；

优化模块，用于当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小，其中，所述优化算法包括凸优化算法。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块包括：

确定单元，用于根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；

第一建立单元，用于根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型；

第一计算单元，用于根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；

第二建立单元，用于根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述获得模块包括：

第二计算单元，用于根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值；

第三计算单元，用于根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值；

获得单元，用于根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。

8.如权利要求5至7任一项所述的装置，其特征在于，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。