CN106792920A - 一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法 - Google Patents

一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法，包括确定无线体域网的网络拓扑结构及接入机制，网络拓扑结构包括源节点及中心节点；根据网络中各个源节点的特征进行分类，存入中心节点；中心节点对当前接收到的某一源节点的数据进行译码，并对连续N次接收的误比特率进行加权平均值的计算；中心节点确定当前接收的源节点的类型，将计算得到的加权平均值与对应该节点的预设门限进行比较，确定是否要对当前源节点进行功率或速率的调整，并根据当前节点的类型采取相应的策略；中心节点将调整结果反馈给当前源节点，源节点根据反馈结果进行下一次数据发送。本发明在满足通信可靠性的同时尽量减少传感器节点的能耗。

Description

一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法
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功率及速率的自适应调整方法。
背景技术
无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)是无线传感器网络(WirelessSensor Network,WSN)在生物医疗等领域内的应用。无线体域网是以人体为中心，由一些依附在身体表面或植入身体内的传感器共同组成的一个无线网络。无线体域网是物联网的组成部分，在医疗保健、疾病的监控及预防上具有巨大的应用意义及需求，日渐成为医疗、商业等领域的关注焦点。
无线体域网具有以下几个特点：信道状况变化迅速，这是由于人体随机运动造成的；传感器电量非常有限，当传感器节点植入体内，要求节点的体积尽量小，同时体域网中的节点通常是靠电池供电，植入体内的节点也不便于频繁更换电池。因此如何快速地适应不断变化的信道状态，在保证通信可靠性的同事尽量降低能耗延长电池寿命，成为无线体域网技术面临的主要挑战之一。
国内外的学者提出了很多功率控制或速率控制方法来解决这个问题，但是这些控制方法并没有充分考虑各个传感器节点的异质性，如何根据各个节点的不同要求来选择控制策略，以实现对功率和速率的动态控制，仍是需要解决的一个问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法。
本发明根据传感器节点对其采集数据的传输要求进行节点分类，通过对不同类别的节点实行不同的控制策略，实现功率及速率的动态控制，在满足通信可靠性的同时尽量减少传感器节点的能耗。
本发明采用如下技术方案：
一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法，包括如下步骤：
S1确定无线体域网的网络拓扑结构及接入机制，所述网络拓扑结构包括源节点及中心节点；
S2根据网络中各个源节点的特征进行分类，存入中心节点；
S3中心节点对当前接收到的某一源节点的数据进行译码，并对连续N次接收的误比特率进行加权平均值的计算；
S4中心节点确定当前接收的源节点的类型，将S3计算得到的加权平均值与对应该节点的预设门限进行比较，确定是否要对当前源节点进行功率或速率的调整，并根据当前节点的类型采取相应的策略；
S5中心节点将调整结果反馈给当前源节点，源节点根据反馈结果进行下一次数据发送。
所述网络拓扑结构包括单跳星形拓扑结构及多跳树形拓扑结构，所述单跳星形拓扑结构由多个无线传感器源节点及一个中心节点互联构成。
所述S2中根据网络中各个源节点的特征进行分类，具体为：
根据传感器源节点所传输数据的要求以及源节点安装位置的安全性将传感器源节点分为如下三种：
功率敏感型：传感器源节点位于人体某些受辐射影响较大的部位，需要严格控制节点的发射功率上限，则将这些源节点设为功率敏感型节点；
速率敏感型：传感器源节点的数据量大或对时延的要求高，则这类节点设为速率敏感型节点；
兼容型：该类节点对功率和速率没有要求，则这类节点为兼容型源节点。
S3中心节点对当前接收到的某一源节点的数据进行译码，并对连续N次接收的误比特率进行加权平均值的计算；
具体为：
中心节点接收到该源节点的数据后，对数据进行译码，统计出现差错的比特数，计算此次数据传输的误比特率BER，记为e0，然后通过公式计算连续N次接收的误比特率加权平均值，其中αi为加权系数，
所述S4具体步骤如下：
设当前源节点的预设门限值上限为Th，下限为Tl；
中心节点将与Th进行比较，如果对当前源节点的功率或速率进行调整以满足通信质量的要求；
如果当前源节点是功率敏感型节点，则保持当前功率不变并按照公式Rnext＝ηrRnow(0<ηr<1)降低该节点的速率，其中Rnow为当前速率，Rnext为调整后的速率，ηr为速率下降系数；
如果当前源节点是速率敏感型节点，则保持当前速率不变并按照公式Pnext＝ηpPnow(ηp>1)提高该节点的功率，其中Pnow为当前发射功率，Pnext为调整后的功率，ηp为功率提升系数；
如果当前源节点是兼容型节点，中心节点对当前网络的资源分析后，确定是否对当前源节点的功率及速率进行调整，如进行功率调整，则使用与速率敏感型节点同样的方法提高发射功率，如进行速率调整，则使用与功率敏感型节点同样的方法降低速率；
如果再将与Tl进行比较，如果需要对当前源节点的功率或速率进行调整以达到节约能耗的目的：
如果当前源节点是功率敏感型节点，则保持当前功率不变并按照公式Rnext＝Rnow+△R提高该节点的速率，其中△R为速率提升步长；
如果当前源节点是速率敏感型节点，则保持当前速率不变并按照公式Pnext＝Pnow-△P降低该节点的功率，其中△P为功率下降步长；
如果当前源节点是兼容型节点，中心节点对当前网络的资源分配情况进行分析后，确定对当前源节点进行功率调整还是速率调整，如进行功率调整，则使用与速率敏感型节点同样的方法降低发射功率，如进行速率调整，则使用与功率敏感型节点同样的方法提高速率；
当时不需要调整。
在动态过程中，优先对功率敏感型节点进行速率调整，对速率敏感型节点进行功率调整。
初始情况，根据各个部位的特点将功率敏感型节点的发射功率设置默认值，将速率敏感型节点的速率设置为默认速率。
所述接入机制包括CSMA/CA和TDMA两种接入机制。
本发明的有益效果：
(1)充分考虑了无线体域网中各种数据传输要求的差异，通过节点分类使得功率或速率的动态调整能够更好地满足不同传感器节点的要求。
(2)与现有的利用SINR或RSSI进行功率或速率控制的方法不同，本发明通过BER与门限值比较来确定控制策略，相比于测量SINR或RSSI来说，BER的计算更为简单直接，也能准确地反映信道的好坏。
(3)本发明可以实现对功率和速率的联合控制，兼容型节点的设置使得中心节点可以兼顾网络的资源优化分配。
附图说明
图1是本发明的工作流程图；
图2是本实施例的拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法，包括如下步骤：
步骤一101确定无线体域网的网络拓扑结构及接入机制，所述网络拓扑结构包括源节点及中心节点；
在IEEE802.15.6标准中规定了无线体域网的网络拓扑结构为单跳星型拓扑和多跳树形拓扑，两种拓扑结构各有其优点与不足，现有对无线体域网功率或速率控制方法的研究主要采用星型拓扑，星型拓扑具有结构简单、节点传输时延小的优点，因此本实施例中采用的是星型拓扑。图2所示是无线体域网典型星型拓扑结构图。星型拓扑的无线体域网由一些附着在人体表面或者植入人体内部的无线传感器源节点和一个中心节点互联而成，源节点负责采集人体生理特征信息并发送给中心节点，再由中心节点通过有线或无线的方式经由其他网络传送给远程站点，同时中心节点也负责将远程站点的信息转发到相应的源节点，通过中心节点可以实现对各个源节点的控制和管理。
IEEE802.15.6标准提出了CSMA/CA和TDMA两种接入机制，相对于CSMA/CA，TDMA更加适用于静态网络，同时在节省功耗方面更有优势，本实施例中采用TDMA接入机制，每个源节点在一个TDMA帧中的发送时隙固定。
步骤二102根据网络中各个源节点的特征进行分类，存入中心节点；
根据传感器源节点所传输数据的要求以及源节点安放位置的安全性要求将所有节点分为三类：
功率敏感型：如果源节点位于人体某些受辐射影响较大的部位，需要严格控制节点的发射功率上限，则将这些源节点设为功率敏感型节点，根据各个部位的特点将这些源节点的发射功率设置为合适的默认值，在动态控制过程中优先对这些源节点进行速率调整；
速率敏感型：如果源节点需要传输的数据量较大或者对时延的要求比较高，则将这些源节点设为速率敏感型节点，并为这些源节点设置默认速率，在动态控制过程中优先对这类节点进行发射功率调整；
兼容型：如果源节点对功率和速率都没有特殊要求，动态控制过程中可以根据整个网络的资源分配情况对这些源节点的功率或速率进行调整。
在完成了所有节点的分类后将分类结果存储于中心节点中，在之后的步骤中中心节点就可以根据该结果对不同节点采取不同的控制策略。
表1给出了常见生命体参数的传输要求，同时给出了基于上述分类方法的分类建议：
表1传感器节点的传输要求
步骤三103中心节点对当前接收到的某一源节点的数据进行译码，并对连续N次接收的误比特率进行加权平均值的计算；
中心节点接收到数据后对数据进行译码，统计出现差错的比特数，计算本次数据传输的误比特率BER，记为e0(0≤e0≤1)。
通过公式计算连续N次接收的误比特率加权平均值，其中αi为加权系数，该加权平均值的本质是利用历史信道质量状况来对未来信道质量进行预测，根据时间顺序远近，将距离较远的周期的加权系数设置得较小，距离较近的周期的加权系数设置得较大，可以得到更加准确地预测结果。此外，由于人体运动的随机性，信道状况不稳定，信道质量频繁突变，通过加权系数的设置可以起到平滑的作用，消除信道质量突变的影响。
步骤四104及105中心节点确定当前接收的源节点的类型，将S3计算得到的加权平均值与对应该节点的预设门限进行比较，确定是否要对当前源节点进行功率或速率的调整，并根据当前节点的类型采取相应的策略；
具体为：中心点可以从预存的分类信息中获知当前源节点的类型。
本发明实施例中预设当前源节点的BER上限为Th，下限为Tl。上限Th的设置要符合表1中各个源节点所传输数据的BER要求；下限Tl可以根据各源节点的需求设置为不同的值，下限Tl设置的目的是为了避免在信道较好的情况下，使用较大的发射功率或较低的速率而造成的能量浪费。
中心节点将与Th进行比较，如果说明当前信道质量变差，信息传输不可靠，需要对当前源节点的功率或速率进行调整以满足通信质量的要求：
如果当前源节点是功率敏感型节点，则保持当前功率不变并按照公式Rnext＝ηrRnow(0<ηr<1)降低该节点的速率，其中Rnow为当前速率，Rnext为调整后的速率，ηr为速率下降系数；
如果当前源节点是速率敏感型节点，则保持当前速率不变并按照公式Pnext＝ηpPnow(ηp>1)提高该节点的功率，其中Pnow为当前发射功率，Pnext为调整后的功率，ηp为功率提升系数；
如果当前源节点是兼容型节点，中心节点对当前网络的资源分配情况进行分析后，确定对当前源节点进行功率调整还是速率调整，如进行功率调整，则使用与速率敏感型节点同样的方法提高发射功率，如进行速率调整，则使用与功率敏感型节点同样的方法降低速率。
如果再将与Tl进行比较，如果说明当前信道质量相对良好，需要对当前源节点的功率或速率进行调整以达到节约能耗的目的：
如果当前源节点是功率敏感型节点，则保持当前功率不变并按照公式Rnext＝Rnow+△R提高该节点的速率，其中△R为速率提升步长；
如果当前源节点是速率敏感型节点，则保持当前速率不变并按照公式Pnext＝Pnow-△P降低该节点的功率，其中△P为功率下降步长；
如果当前源节点是兼容型节点，中心节点对当前网络的资源分配情况进行分析后，确定对当前源节点进行功率调整还是速率调整，如进行功率调整，则使用与速率敏感型节点同样的方法降低发射功率，如进行速率调整，则使用与功率敏感型节点同样的方法提高速率。
当时不需要调整。
对功率或速率的调整都是为了使尽可能地稳定在门限值规定的范围内，从而达到可靠传输和节约能耗之间的动态平衡。
步骤五106中心节点将调整结果反馈给当前源节点，源节点根据反馈结果进行下一次数据发送。
中心节点将调整后的功率及速率值反馈给当前源节点，源节点在下一个发送周期使用调整后的功率和速率进行数据发送。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种无线体域网功率及速率的自适应调整方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1确定无线体域网的网络拓扑结构及接入机制，所述网络拓扑结构包括源节点及中心节点；
S2根据网络中各个源节点的特征进行分类，存入中心节点；
S3中心节点对当前接收到的某一源节点的数据进行译码，并对连续N次接收的误比特率进行加权平均值的计算；
S4中心节点确定当前接收的源节点的类型，将S3计算得到的加权平均值与对应该节点的预设门限进行比较，确定是否要对当前源节点进行功率或速率的调整，并根据当前节点的类型采取相应的策略；
S5中心节点将调整结果反馈给当前源节点，源节点根据反馈结果进行下一次数据发送。
2.根据权利要求1所述的自适应调整方法，其特征在于，所述网络拓扑结构包括单跳星形拓扑结构及多跳树形拓扑结构，所述单跳星形拓扑结构由多个无线传感器源节点及一个中心节点互联构成。
3.根据权利要求1所述的自适应调整方法，其特征在于，所述S2中根据网络中各个源节点的特征进行分类，具体为：
根据传感器源节点所传输数据的要求以及源节点安装位置的安全性将传感器源节点分为如下三种：
功率敏感型：传感器源节点位于人体某些受辐射影响较大的部位，需要严格控制节点的发射功率上限，则将这些源节点设为功率敏感型节点；
速率敏感型：传感器源节点的数据量大或对时延的要求高，则这类节点设为速率敏感型节点；
兼容型：该类节点对功率和速率没有要求，则这类节点为兼容型源节点。
4.根据权利要求1所述的自适应调整方法，其特征在于，S3中心节点对当前接收到的某一源节点的数据进行译码，并对连续N次接收的误比特率进行加权平均值的计算；
具体为：
中心节点接收到该源节点的数据后，对数据进行译码，统计出现差错的比特数，计算此次数据传输的误比特率BER，记为e0，然后通过公式计算连续N次接收的误比特率加权平均值，其中αi为加权系数，
5.根据权利要求1所述的自适应调整方法，其特征在于，所述S4具体步骤如下：
设当前源节点的预设门限值上限为Th，下限为Tl；
中心节点将与Th进行比较，如果对当前源节点的功率或速率进行调整以满足通信质量的要求；
如果当前源节点是功率敏感型节点，则保持当前功率不变并按照公式Rnext＝ηrRnow(0<ηr<1)降低该节点的速率，其中Rnow为当前速率，Rnext为调整后的速率，ηr为速率下降系数；
如果当前源节点是速率敏感型节点，则保持当前速率不变并按照公式Pnext＝ηpPnow(ηp>1)提高该节点的功率，其中Pnow为当前发射功率，Pnext为调整后的功率，ηp为功率提升系数；
如果当前源节点是兼容型节点，中心节点对当前网络的资源分析后，确定是否对当前源节点的功率及速率进行调整，如进行功率调整，则使用与速率敏感型节点同样的方法提高发射功率，如进行速率调整，则使用与功率敏感型节点同样的方法降低速率；
如果再将与Tl进行比较，如果需要对当前源节点的功率或速率进行调整以达到节约能耗的目的：
如果当前源节点是功率敏感型节点，则保持当前功率不变并按照公式Rnext＝Rnow+△R提高该节点的速率，其中△R为速率提升步长；
如果当前源节点是速率敏感型节点，则保持当前速率不变并按照公式Pnext＝Pnow-△P降低该节点的功率，其中△P为功率下降步长；
如果当前源节点是兼容型节点，中心节点对当前网络的资源分配情况进行分析后，确定对当前源节点进行功率调整还是速率调整，如进行功率调整，则使用与速率敏感型节点同样的方法降低发射功率，如进行速率调整，则使用与功率敏感型节点同样的方法提高速率；
当时不需要调整。
6.根据权利要求3所述的自适应调整方法，其特征在于，在动态过程中，优先对功率敏感型节点进行速率调整，对速率敏感型节点进行功率调整。
7.根据权利要求3所述的自适应调整方法，其特征在于，初始情况，根据各个部位的特点将功率敏感型节点的发射功率设置默认值，将速率敏感型节点的速率设置为默认速率。
8.根据权利要求1所述的自适应调整方法，其特征在于，所述接入机制包括CSMA/CA和TDMA两种接入机制。
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