CN105827442B - 无线体域网能效频效分析方法 - Google Patents

无线体域网能效频效分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105827442B
CN105827442B CN201610143211.XA CN201610143211A CN105827442B CN 105827442 B CN105827442 B CN 105827442B CN 201610143211 A CN201610143211 A CN 201610143211A CN 105827442 B CN105827442 B CN 105827442B
Authority
CN
China
Prior art keywords
efficiency
energy efficiency
probability
analysis method
spectrum efficiency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610143211.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN105827442A (zh
Inventor
刘瑞霞
舒明雷
陈长芳
杨明
杨媛媛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Computer Science Center
Original Assignee
Shandong Computer Science Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Computer Science Center filed Critical Shandong Computer Science Center
Priority to CN201610143211.XA priority Critical patent/CN105827442B/zh
Publication of CN105827442A publication Critical patent/CN105827442A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105827442B publication Critical patent/CN105827442B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/14—Network analysis or design
    • H04L41/145—Network analysis or design involving simulating, designing, planning or modelling of a network
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/06—Testing, supervising or monitoring using simulated traffic
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

本发明实施例公开了一种无线体域网能效频效分析方法，包括：建立无线体域网共存泊松分布点模型；计算竞争域的中断概率；根据中断概率计算能量效率和频谱效率；计算能量效率和频谱效率的相互关系。本发明通过分析能量效率和频谱效率的关系，能够在无线系统设计中更好地平衡这两种性能指标，为系统中能量效率和频谱效率的联合设计带来启示意义。

Description

无线体域网能效频效分析方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种无线体域网能效频效分析方法。
背景技术
无线体域网技术是无线传感器网络研究的一个重要应用方向，无线体域网因其便携、可移动的特点，在远程医疗、健康监护等领域有着广阔的应用前景，该技术的应用对解决看病难看病贵等问题和应对人口老龄化问题方面有着重要的实际意义。
由于人的社会性，实际应用中多个体域网常出现在一个社交场所，形成一个网络共存的现象，如图1所示，各个体域网之间通信范围的重叠，会导致严重的网络间干扰。网间干扰会降低体域网的可靠性和能效性，并且多个网络存在无线频道的竞争，所以研究体域网的能量效率(简称能效)和频谱效率(简称频效)的关系，对设计系统和提高系统性能具有重要的理论价值和研究意义。
能量在体域网这种微型网络中是最宝贵的资源。而在网络共存环境下，由于多个节点竞争信道，这无疑加大网络之间的干扰，导致邻居体域网提高发射功率应对干扰。最后造成共存体域网能量的巨大耗费。另外，干扰导致的数据包丢失也造成体域网能量的浪费。
通常情况下每个WBANs对应着一个使用者，当人体移动，例如在集中病房、公交、超市、电梯或出入口时，体域网的密度将可能会变得很大。由于这些随机分布的独立体域网之间缺少协调，且频带资源有限，邻近体域网的交叉干扰信号可能会淹没本网信号，从而影响本地信号的接收和解码。
根据IEEE 802.15.6协议制定的技术细节，系统的有效传输距离需达到3米，并容许不超过10个本地共存网络。面对这种高密度的本地共存网络，如何有效平衡系统的能效和频效问题和分析网络共存的一个最优密度，这是改善在高空间密度情况下系统性能的基础。而且从系统可靠性的观点分析，网络共存引起的干扰和冲突可能会引发关系生命的重要数据丢失，使得医生做出错误诊断，进而对病人的生命产生严重威胁。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种无线体域网能效频效分析方法，以满足上述需求。
本发明实施例提供了一种无线体域网能效频效分析方法，包括：
建立无线体域网共存泊松分布点模型；
计算竞争域的中断概率；
根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
计算能量效率和频谱效率的相互关系。
进一步地，所述分析方法还包括：根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度。
进一步地，所述根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度，包括：根据能量效率和频谱效率的相互关系计算二者的平衡关系，根据所述平衡关系计算最优共存密度。
进一步地，采用随机几何方法建立所述无线体域网共存泊松分布点模型。
进一步地，所述计算竞争域的中断概率，包括：
根据节点的竞争域内的总干扰计算信噪比；
将信噪比小于预设阈值的概率作为中断概率。
进一步地，所述根据中断概率计算能量效率，包括：根据中断概率、发送功率和电路消耗功率计算能量效率。
进一步地，所述根据中断概率计算频谱效率，包括：根据中断概率和同一个信道内能同时容纳的节点数计算频谱效率。
本发明通过分析能量效率和频谱效率这两种重要性能指标的关系，能够在无线系统设计中更好地平衡能量效率和频谱效率这两种性能指标。通过推导系统的能量效率和频谱效率近似关系闭式，可以揭示系统中提高无线通信系统的频谱效率和能量效率的理论限制，为系统能量效率和频谱效率的联合设计带来启示意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是无线体域网共存示意图；
图2是本发明实施例一所述的无线体域网能效频效分析方法流程图；
图3是本发明实施例二所述的无线体域网能效频效分析方法流程图。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，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。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
图2是本发明实施例一所述的无线体域网能效频效分析方法流程图，如图1所示，所述分析方法包括：
S1、建立无线体域网共存泊松分布点模型；
具体地，可以采用随机几何方法建立泊松点过程模型，每个无线体域网WBANs由一个中心节点和多个采集节点组成，采用IEEE802.15.6标准的CSMA-CA协议，当多个WBANs在一起时就构成了网络共存。根据随机几何分布性质，对于共存区域(即竞争域)M而言，其中区域M内节点数k服从以下分布：其中，P(·)表示概率，λp表示干扰节点的空间密度。
S2、计算竞争域的中断概率；
首先，需要计算竞争域的信噪比。具体地，可以根据节点的竞争域内的总干扰来计算信噪比。共存网络区域中任意一节点受到的累积干扰为：Pt是发送功率，hi是信道的功率衰落参数，xi是两点之间的距离，α是路径损耗指数。所述竞争域的信噪比可由下式计算得到：其中，W是噪声功率，I是上式计算出的累积干扰功率。
接下来，将信噪比小于预设阈值的概率作为中断概率。具体地，中断概率可以由下式来表示：其中，γ为预设阈值，P(·)表示概率。
S3、根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
首先，根据中断概率计算能量效率；具体地，根据中断概率、发送功率和电路消耗功率计算能量效率。
无线体域网中的传感器节点(无论体内还是体外)很难替换和充电，使得每个节点必须利用有限的能量来最大限度地延长自身的寿命，所以能效是无线体域网的一个关键参数。能量效率定义为每消耗单位焦耳的能量系统能够传输的比特数,它能够较好地体现吞吐量和功率之间的折中。能效是指在单位功耗内发送的字节数：其中，R是无线传输速率，Pc是电路消耗功率，Pout为中断概率，Pt是发送功率，λp表示干扰节点的空间密度,ξ是峰值平均功率比(PARR)，2450MHz的扩频PHY采用O-QPSK调制半正弦脉冲整形。因此，我们ξ采用1.4。ζ是无线节点功率放大器的效率，在低功耗无线网络中，一般这个效率比较低，这里只有7％。
接下来，根据中断概率计算频谱效率；具体地，根据中断概率和同一个信道内能同时容纳的节点数计算频谱效率。
在无线应用高速发展的今天，人们逐渐意识到频谱资源是与石油、矿藏一样的稀缺资源，其不可再生的特性使得频谱资源的宝贵性日益凸显。由于频谱分配的固定性,目前大量的无线网络均工作于免授权的ISM频段,导致了这一频段的过度拥挤。在ISM 2.4GHz频段为例,就有ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi以及工业应用的Wireless HART、ISA100.11a和WIA-PA等网络，许多的无线体域网也是工作在这个频段，当这些网络部署于相同区域时,存在相互干扰,严重降低通信的可靠性。因此,无线网络的层出不穷和ISM频段的信道拥挤为低成本、低功耗的无线体域网提出了新的挑战。实际上,授权频段的频谱利用率并不高，仅在15％--85％。所以研究无线网络的频谱效率对无线体域网的共存越来越重要。频谱效率反映了频谱的利用效率,它实际上体现了系统功率和系统带宽之间的折中关系。这里的频谱效率定义为单位带宽单位时间内成功发送的比特数。
其中，R是无线传输速率，B是一个信道占用的带宽，λp表示干扰节点的空间密度，Pout为中断概率。
S4、计算能量效率和频谱效率的相互关系。
能量效率和频谱效率这两种重要性能指标的趋势并不总能保持一致,两者之间往往存在一定的相互关系，为了在无线体域网中更好地评价能量效率和频谱效率这两种性能指标的影响,就需要对两者的关系进行分析。具体地，二者的相互关系可表示为：ηEE＝f(δSE)，其中，ηEE表示能量效率，δSE表示频谱效率。
通过上述实施例一，可以获得无线体域网络中能量效率和频谱效率这两种重要性能指标的相互关系，为进一步分析和优化共存无线体域网络奠定了基础。
图3是本发明实施例二所述的无线体域网能效频效分析方法流程图，如图3所示，所述分析方法包括：
S1、建立无线体域网共存泊松分布点模型；
S2、计算竞争域的中断概率；
S3、根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
S4、计算能量效率和频谱效率的相互关系；
S5、根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度。
其中，步骤S1-S4与实施例一中完全相同，具体可参见实施例一中的相关描述，此处不再赘述。
在实施例一所得到的能量效率和频谱效率的相互关系的基础上，为了进一步指导和优化共存的无线体域网络，本实施例中根据能量效率和频谱效率的相互关系进一步计算无线体域网络的最优共存密度。具体地，根据能量效率和频谱效率的相互关系计算二者的平衡关系，然后根据所述平衡关系计算最优共存密度。通过能效和频效的平衡分析(即折中分析)，求出能效和频效的闭合表达式,根据闭合表达式求出系统的可行域,最后再根据可行域得出共存网络最优的共存密度值。
通过推导系统的能量效率和频谱效率近似关系闭式，可以揭示系统中提高无线通信系统的频谱效率和能量效率的理论限制，为系统能量效率和频谱效率的联合设计带来启示意义。
以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现，或者通过专用硬件逻辑如ASIC、FPGA、SoC等实现，本发明对此不作限制。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种无线体域网能效频效分析方法，其特征在于，包括：
建立无线体域网共存泊松分布点模型；
计算竞争域的中断概率；
根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
计算能量效率和频谱效率的相互关系；
其中能量效率指在单位功耗内发送的字节数，根据中断概率、发送功率和电路消耗功率计算能量效率，其中，R是无线传输速率,Pc是电路消耗功率，Pout为中断概率，Pt是发送功率，λp表示干扰节点的空间密度,ξ是峰值平均功率比，ζ是无线节点功率放大器的效率；频谱效率指单位带宽单位时间内成功发送的比特数，根据中断概率和同一个信道内能同时容纳的节点数计算频谱效率，其中，R是无线传输速率，B是一个信道占用的带宽，λp表示干扰节点的空间密度，Pout为中断概率；能量效率和频谱效率的相互关系为：ηEE＝f(δSE)，ηEE表示能量效率，δSE表示频谱效率。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述分析方法还包括：
根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度。
3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度，包括：根据能量效率和频谱效率的相互关系计算二者的平衡关系，根据所述平衡关系计算最优共存密度。
4.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，采用随机几何方法建立所述无线体域网共存泊松分布点模型：
竞争域M内存在k个节点的概率为：其中，P(·)表示概率，λp表示干扰节点的空间密度。
5.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述计算竞争域的中断概率，包括：
根据节点的竞争域内的总干扰计算信噪比；
将信噪比小于预设阈值的概率作为中断概率。
6.根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于，所述根据节点的竞争域内的总干扰计算信噪比，包括：
计算竞争域中任意一节点受到的累积干扰I：其中，Pt是发送功率，hi是信道的功率衰落参数，xi是两点之间的距离，α是路径损耗指数；
计算信噪比SINR：其中，W是噪声功率,I是上述累积干扰。
7.根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于，将信噪比小于预设阈值的概率作为中断概率，包括：
其中，γ为预设阈值，P(·)表示概率。
8.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据中断概率计算能量效率，包括：根据中断概率、发送功率和电路消耗功率计算能量效率。
9.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据中断概率计算频谱效率，包括：根据中断概率和同一个信道内能同时容纳的节点数计算频谱效率。
CN201610143211.XA 2016-03-14 2016-03-14 无线体域网能效频效分析方法 Active CN105827442B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610143211.XA CN105827442B (zh) 2016-03-14 2016-03-14 无线体域网能效频效分析方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610143211.XA CN105827442B (zh) 2016-03-14 2016-03-14 无线体域网能效频效分析方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105827442A CN105827442A (zh) 2016-08-03
CN105827442B true CN105827442B (zh) 2019-04-05

Family

ID=56987912

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610143211.XA Active CN105827442B (zh) 2016-03-14 2016-03-14 无线体域网能效频效分析方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105827442B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107770750A (zh) * 2017-10-25 2018-03-06 山东省计算中心（国家超级计算济南中心） 一种基于随机几何的无线体域网共存的能量效率优化方法
CN107947878B (zh) * 2017-11-22 2021-01-19 江苏理工学院 一种基于能效和谱效联合优化的认知无线电功率分配方法
CN111586613B (zh) * 2020-05-10 2022-02-08 吉林大学 基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法
CN111967716B (zh) * 2020-07-20 2022-04-22 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 一种电动汽车直流充电设施的综合能效计算方法
CN111917490B (zh) * 2020-07-21 2021-05-18 山东省人工智能研究院 一种基于随机几何的无线体域网共存数值的计算方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012113937A1 (en) * 2011-02-24 2012-08-30 Aalto-Korkeakoulusäätiö A method and a system for controlling the aggregate interference in cognitive radio networks
CN103096335A (zh) * 2012-12-26 2013-05-08 陈宏滨 一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法
CN103596182A (zh) * 2013-11-27 2014-02-19 北京邮电大学 一种d2d通信中的频谱资源管理方法
CN105162539A (zh) * 2015-07-31 2015-12-16 南京邮电大学 一种基于节点信息的认知无线传感器网络频谱检测方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012113937A1 (en) * 2011-02-24 2012-08-30 Aalto-Korkeakoulusäätiö A method and a system for controlling the aggregate interference in cognitive radio networks
CN103096335A (zh) * 2012-12-26 2013-05-08 陈宏滨 一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法
CN103596182A (zh) * 2013-11-27 2014-02-19 北京邮电大学 一种d2d通信中的频谱资源管理方法
CN105162539A (zh) * 2015-07-31 2015-12-16 南京邮电大学 一种基于节点信息的认知无线传感器网络频谱检测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于中断概率的认知网络干扰建模及接入优化;蔡艳;《南京邮电大学学报(自然科学版)》;20130228;第33卷(第1期);1-5页

Also Published As

Publication number Publication date
CN105827442A (zh) 2016-08-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105827442B (zh) 无线体域网能效频效分析方法
Yang et al. Coexistence of IEEE802. 15.4 based networks: A survey
Alobaidy et al. A review on ZigBee based WSNs: concepts, infrastructure, applications, and challenges
Kim A distributed coexistence mitigation scheme for IoT-based smart medical systems
Sarra et al. Coexistence improvement of wearable body area network (WBAN) in medical environment
Shaik et al. A comparative study of interference and mitigation techniques in wireless body area networks
Deshpande et al. Investigation on imcp based clustering in lte-m communication for smart metering applications
Khan et al. Interference and priority aware coexistence (IPC) algorithm for link scheduling in IEEE 802.15. 6 based WBANs
Hu et al. A dynamic spectrum access strategy based on real-time usability in cognitive radio sensor networks
Abbasi et al. Cross-layer MAC/routing protocol for reliable communication in Internet of Health Things
Liu et al. Zigbee network for remote patient monitoring on general hospital wards
CN102098683A (zh) 伪随机序列退避机制的无线传感器网络动态频谱接入方法
Wang et al. On analysis of the contention access period of IEEE 802.15. 4 MAC and its improvement
CN103327572B (zh) 一种IEEE802.15.4e网络的邻居发现方法
Hou et al. Surviving the RF smog: Making body area networks robust to cross-technology interference
Li et al. An interference mitigation MAC protocol for wireless body area network
Liu et al. Energy efficiency and area spectral efficiency tradeoff for coexisting wireless body sensor networks
Hussein et al. Performance evaluation of Cognitive Radio Network Predictive MAC (P-MAC) access algorithm and its enhancement
Hwang et al. An enhanced frame transmission method for medical devices with ultra low power operation
Ayadi et al. An effective approach for energy aware in wireless sensor network
Sharma et al. Design of Caucus Medium Access Control (C-MAC) protocol for wireless sensor networks in smart grids
Al-Anbagi et al. Delay-aware cross layer data transmission schemes for wireless sensor and actor networks
Zhou Energy efficient wireless body area network design in health monitoring scenarios
Wang et al. Minimum transmission power configuration in real-time sensor networks with overlapping channels
Wang et al. A hybrid MAC protocol for data transmission in Smart Grid

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant