CN109121215A - 无线体感网中能量和数据协同传输调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，AP按照从各簇头接收的数据传输时间使用TDMA方式对各个节点的传输时段进行调度；WPT阶段：任意第m个PB将其发射功率设为P_m，M个PB并发传输能量，持续时间为φ；第1个WIT阶段：网络中第k个簇中的普通节点在各自被分配的时间段内向簇头传输信息，所使用的发射功率为第2个WIT阶段：网络中第k个簇中的簇头节点在各自被分配的时间段内向AP传输信息，所使用的发射功率为给出了WPT时间和两个WIT时间的最优分配结果以及调度方案，满足WBAN中全部节点的最小数据传输速率需求。

Description

无线体感网中能量和数据协同传输调度方法

技术领域

本发明涉及一种针对能量和信息协同传输的无线体感网(WBAN)进行 能量和数据传输时间的分配和调度方法，控制多个无线射频能量发射源(PB) 向多个无线传感器节点进行WPT的时间；普通节点使用充电后的能量向簇 头节点上传感知信息的时间；以及簇头节点向基站(AP)上传全部感知信 息的时间，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线体感网(WBAN,Wireless Body Area Network)是实现下一代以病人 为中心的远程医疗的关键技术。病人配备可穿戴、小型化和低功耗的无线传 感器节点，这些传感器节点可以在不中断病人正常活动的情况下测量其体征 信息(如身体组织、健康状况，运动机能，乃至周边环境状况)并无线传输 至远程医疗终端与病人的病历进行无缝结合。现有的针对WBAN的无线传 输和通信协议包括：IEEE 802.15.4、ZigBee、低功耗蓝牙(BLE)和Wi-Fi等， 即便如此，WBAN的进一步发展仍面临着两大内在挑战：(1)缺乏与生理数 据有关的环境信息(这可能导致感知认知困难甚至偏误)；(2)可穿戴设备体积 较小以及使用环境所导致的电池寿命瓶颈。

在传统电池驱动的WBAN中，蓄电池的容量有限且不便于充电或更换， 此外，由于WBAN通信链路受到人体周围环境和移动所引起的能量吸收和 多径信道衰落的影响，其服务质量(QoS)保障更具有挑战性，如数据速率、 延迟和可靠性等。为了向WBAN提供更高的能量使用效率和更高的服务质 量，需要设计介质访问控制(MAC)和资源分配机制来调度传感器节点的通信 和占空比。尽管WBAN的MAC技术有所进步，但是其连续供电问题仍未 得到根本解决。

近年来新兴的无线能量采集技术为解决这一难题提供了一种可行的解 决方案[1]。在各种无线能量采集方案中，专用射频(RF,Radio Frequency) 能量源不依赖自然环境，比如风，振动和太阳，因此，无线射频能量传输(WPT, Wireless Power Transfer)比其他能量源更适合于WBAN应用环境。在基于 无线射频能量传输的WBAN络中，预先部署的无线射频能量辐射基站(PB, Power Beacon)[2]用来发射射频能量，而传感器节点则有射频能量采集模块 和能量存储模块用于接收和存储射频能量。由于射频信号可以同时携带能量和信息，这种网络被称为信息和功率并发传输(SWIPT)网络，因此，应优化 设计WPT链路和无线信息传输(WIT,Wireless Information Transmission) 链路之间的时间切换方法[3]。在参考文献[4]中，作者最大化SWIPT网络中 具有单一PB的所有无线节点的共同吞吐量。文献[5]中以无线节点的位置为 考量点优化射频源的部署位置。文献[6]研究了确定性能量采集模型和随机 能量模型两种情况下的吞吐量最大化问题。文献[7]证明了一个注水能量分 配方案，其中所谓的水位沿着阶梯是最优的。在文献[8]中，作者考虑了块 随机能量采集模型，并利用动态规划和凸优化理论推导出吞吐量最大化问题 的最优功率分配策略。

关于无线供电的WBAN，作者在文献[9]中研究了一种点到点的通信方 案，目的是使从传感器节点到接入点(AP,Access Point)的数据吞吐量最大化， 其主要方法是在平衡WPT阶段和WIT阶段的工作时间。在文献[10]中，作 者研究了一种带有辅助继电器的无线供电中继，该中继可以采集其他节点发 送的射频能量，然后利用所获得的能量将信息转发到新的目的节点。上述工 作[9]和[10]都只考虑无线供电的WBAN中的点对点通信链路。在文献[11] 中，作者提出了一种共同能量法，其目的是平衡传感器节点在WPT阶段所 获得的平均能量。不过，该文献仅仅考虑了单用户情况，即只有一名患者携 带多个传感器节点。此外，WBAN的QoS问题没有在上述工作中得到解决 [9-11]。

文献[1]：E.Ibarra,A.Antonopoulos,E.Kartsakli,et al.,“QoS-Aware energymanagement in body sensor nodes powered by human energy harvesting,”IEEESensors Journal,vol.16,no.2,pp.542-549,2016.

文献[2]：Y.Li,R.Wang,X.Liao,and S.Zhu,“Optimal multiuser schedulingfor wireless powered communication systems,”in Proc.IEEE InternationalConference on Communications(ICC 2016),Kuala Lumpur, Malaysia,2016,pp.1-6.

文献[3]：X.Di,K.Xiong,P.Fan,and H.Yang,“Simultaneous wirelessinformation and power transfer in cooperative relay networks with ratelesscodes,”IEEE Trans.Veh.Technol.,vol.66,no.4,pp.2981–2996,Apr.2016.

文献[4]：H.Ju and R.Zhang,“Throughput maximization in wireless poweredcommunication networks,”IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.13, no.1,pp.418–428,Jan.2014.

文献[5]：X.Liu,F.Hu,W.Xiong,Y.Du,and L.Cen,“Sparse array synthesis forWBAN with minimised side lobe via convex optimisation,”IET Commun.,vol.10,no.17,pp.2452–2460,Nov.2016.

文献[6]：J.Yang and S.Ulukus,“Optimal packet scheduling in an energyharvesting communication system,”IEEE Trans.Commun.,vol.60, no.1,pp.220–230,Jan.2012.

文献[7]：O.Ozel,K.Tutuncuoglu,J.Yang,S.Ulukus,and A.Yener,“Transmission with energy harvesting nodes in fading wireless channels:Optimal policies,”IEEE J.Sel.Areas Commun.,vol.29,no.8,pp. 1732–1743,Sep.2011.

文献[8]：C.K.Ho and R.Zhang,“Optimal energy allocation for wirelesscommunications with energy harvesting constraints,”IEEE Trans. SignalProcess.,vol.60,no.9,pp.4808–4818,Sep.2012.

文献[9]：Z.Ling,F.Hu,L.Wang,et al.,“Point-to-point wirelessinformation and power transfer in WBAN with energy harvesting,”IEEE Access,vol.5,pp.8620-8628,Apr.2017.

文献[10]：L.Wang,F.Hu,Z.Ling,and B.Wang,“Wireless information andpower transfer to maximize information throughput in WBAN,”IEEE Internet ofThings Journal,vol.4,no.5,pp.1663-1670,Aug.2017.

文献[11]：J.C.Kwan and A.O.Fapojuwo,“Radio frequency energy harvestingand data rate optimization in wireless information and power transfer sensornetworks,”IEEE Sensors Journal,vol.17,no.15,pp. 4862-4874,jun.2017.

发明内容

在采用能量和信息协同传输的无线体感网(WBAN)中，无线能量传输 (WPT)用于向WBAN中的无线传感器节点补充能量，无线信息传输(WIT) 用于将被监测人的体征信息上传至Internet，为了解决上述存在的技术问题， 本发明的目的是：提供了一种基于时分多址的无线体感网中能量和数据协同 传输调度方法，给出了WPT时间和两个WIT时间的最优分配结果以及调度 方案，满足WBAN中全部节点的最小数据传输速率需求。

本发明的技术方案是：

一种无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，包括基站(AP)、M 个无线射频能量发射源(PB)和监测节点，包括以下步骤：

(1)在第k个簇内，普通节点在向簇头节点上传数据时，采用TDMA 控制多个普通节点对共享无线信道的使用；

(2)网络的时间和频率域资源被划分为连续的多个资源块(RB)在一 个RB内，多个簇头节点向AP上传数据时，采用TDMA控制多个簇头节点 对共享无线信道的使用；在一个RB内，所有信道衰落系数都保持不变；

(3)每个簇头节点作为中继节点接收簇内普通节点上传的数据，并向 AP转发该数据并上传其自身感知的数据；

(4)AP按照从各簇头接收的数据传输时间使用TDMA方式对各 个节点的传输时段进行调度；

(4.1)WPT阶段：任意第m个PB将其发射功率设为Pm，M个PB并 发传输能量，持续时间为φ；

(4.2)第1个WIT阶段：网络中第k个簇中的普通节点在各自被分配 的时间段内向簇头传输信息，所使用的发射功率为

(4.3)第2个WIT阶段：网络中第k个簇中的簇头节点在各自被分配 的时间段内向AP传输信息，所使用的发射功率为

优选的技术方案中，所述步骤(4)的调度方法包括以下步骤：

S01：网络中第k个簇中第i个普通节点通过独立控制信道(SDCCH) 向其簇头节点发送信道状态信息，以及其最小数据传输速率需求

S02：获得第k个簇中第i个节点所要求的最小WPT时间该簇所 要求的最小WPT时间φ^k，以及数据传输时间

S03：任意第k个簇头节点通过SDCCH信道将φ^k发送给AP；

S04：AP获得整个网络所要求的最小WPT时间φ，并通过SDCCH信 道将φ发送给网络中的簇头节点和PB；

S05：簇头节点通过SDCCH信道向本簇的普通节点转发φ；

S06：第k个簇中第i个节点计算其在WPT阶段补充的能量 其中，P_m表示第m个PB的WPT功率，表示第k个 簇中第i个节点使用所采集能量用于WIT的能量，表示第m个PB与第 k个簇中第i个节点之间的信道增益；

S07：第k个簇中第i个节点在WIT阶段使用的发射功率 其中，表示第k个簇中第i个节点的能量采集效率，表 示分配给第k个簇中的第i个普通节点的WIT时间；

S08：第k个簇中的第i个普通节点计算在WIT阶段的传输时间并 通过SDCCH信道将发送给簇头节点；

其中，为第k个簇中第i个节点的最小数据传输速率，σ²表示无线信 道的噪声功率，表示第i个普通节点与簇头节点之间的信道增益；

S09：第k个簇中的簇头节点计算其在WIT阶段的传输时间并通过 SDCCH信道发送给AP；

S10：AP按照从各簇头接收的对各个节点的传输时段进行调度。

优选的技术方案中，所述步骤S02中获得第k个簇中第i个节点所要求 的最小WPT时间通过求解下述方程组得到：

其中，表示簇头节点与AP之间的信道增益，B为工作频率带宽，n_k为 监测节点数。

优选的技术方案中，所述簇头节点得到第i个节点所要求的最小WPT 时间以及数据传输时间的步骤为：

将满足网络中所有节点最小数据传输速率需求建模为数学最优化问题：

约束条件：

通过求解上述最优化问题得到以及数据传输时间

与现有技术相比，本发明的优点是：

将网络资源分配周期划分为三个时间段，即：WPT时间段(用于为节 点补充能量)，第一个WIT时间段(用于从普通节点向簇头节点上传数据)， 第二个WIT时间段(用于从簇头节点向AP上传数据)。本发明给出了WPT 时间和两个WIT时间的最优分配结果以及调度方案，满足WBAN中全部节 点的最小数据传输速率需求。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明采用能量和数据协同传输的无线体感网系统组成示意图；

图2是本发明无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案示意图；

图3是使用本发明方法分配给WPT和WIT的工作时间与节点数之间 的关系示意图；

图4是使用本发明方法各传感器节点获取数据传输速率示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施 方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例 性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结 构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明无线体感网中能量和数据协同传输的调度方案的应用场景是：无 线体域感网(WBAN)由大量无线传感器节点组成，这些低功耗节点持续监 测人体重要生理信息。在WBAN系统中，部署专用的无线射频能量发射源， 向WBAN中的无线传感器节点辐射能量，则能实现向WBAN中无线传感器 节点的永久供电，保障网络服务不中断，彻底解决WBAN的有效工作期问 题。系统包括一个基站(AP)，AP作为WBAN与Internet之间的网关负责 从簇头节点收集信息，并将信息上传至Internet；M个无线射频能量发射源 (PB)，用于向WBAN中的节点辐射能量；AP和PB都使用电力线供电；K 个被监测人，任意第k个被监测人由n_k个节点监测，并且这n_k个节点构成一 个簇，包含一个簇头节点(CH)和n_k-1个普通节点；普通节点仅监测人体 状况，监测信息需要上传至簇头节点进行汇总；而簇头节点除了监测人体状 况外，还能接收普通节点的监测信息并上传至AP。上述AP、PB、节点(包 括簇头节点和普通节点)构成系统的全部设备，如图1所示。

所述方案中，存在3类链路，即：从PB向节点传输能量的WPT链路， 从普通节点向簇头节点上传信息的WIT链路，以及从簇头节点向AP上传 信息的WIT链路。这3类链路的共同工作频率带宽为B Hz，网络的时间和 频率域资源被划分为连续的多个资源块(RB)，每个RB的时间长度为1秒， 如图2所示。

用表示第m个PB与第k个簇中第i个节点之间的信道增益；对于 任意第k个簇，用表示第i(i＝2,…,n_k)个普通节点与簇头节点(由i＝1 标识)之间的信道增益，用表示簇头节点(由i＝1标识)与AP之间的信 道增益；用σ²表示无线信道的噪声功率；用表示第k个簇中 第i个节点的能量采集效率；用表示第k个簇中第i个节点 使用所采集能量的部分用于WIT；用P_m表示第m(m＝1,…,M)个PB的 WPT功率，用表示分配给第k个簇中的第i个 普通节点的WIT时间，用表示分配给第k个簇的簇头节点 的WIT时间；在第k个簇内，普通节点在向簇头节点上传数据时，应采用 TDMA控制多个普通节点对共享无线信道的使用；在一个RB内，多个簇头 节点向AP上传数据时，应采用TDMA控制多个簇头节点对共享无线信道的 使用；在一个RB内，所有信道衰落系数都保持不变，第k个簇中第i个节 点的最小数据传输速率需求为bits/s。作为中继节点，每个簇头节点一方 面需要接收簇内普通节点上传的数据，另一方面需要向AP转发这些数据并 上传其自身感知的数据；因此，每个簇头节点作为普通节点和AP之间的数 据中继节点应具备时域半双工通信能力，即：先打开接收天线、关闭发射天 线，接收普通节点所发送的数据；再关闭接收天线，打开发射天线，将接收 的数据转发至AP。对系统中M个PB的WPT时间，以及全部节点的WIT 时间分配和调度流程如下：

1、网络中第k个簇中第i个普通节点通过独立控制信道(SDCCH)向 其簇头节点发送信道状态信息和以及其最小数据传输速率需求

2、定义参数：

任意第k个簇头节点通过求解方程组：

i＝1,…,n_k,k＝1,…,K(1)

获得第k个簇中第i个节点所要求的最小WPT时间以及数据传输 时间

3、任意第k个簇头节点利用公式：

获得该簇所要求的最小WPT时间φ^k，其中表示求所 有n_k个中的最大值；

4、任意第k个簇头节点通过SDCCH信道将φ^k发送给AP；

5、AP利用公式

φ＝max(φ^k，k＝1,…,k) (3)

获得整个网络所要求的最小WPT时间φ，其中φ＝max(φ^k，k＝ 1,…,k)表示求所有φ^k中的最大值；

6、AP通过SDCCH信道将φ发送给网络中的簇头节点和PB；

7、网络中任意第k个簇中的簇头节点通过SDCCH信道向本簇的n_k个 普通节点转发φ；

8、网络中第k个簇中第i个节点使用下式计算其在WPT阶段补充的能 量

9、网络中第k个簇中第i个节点使用下式计算其在WIT阶段使用的发 射功率

10、网络中第k个簇中的第i(i＝2,…,n_k)个普通节点使用下式计算其 在WIT阶段的传输时间

并通过SDCCH信道将发送给簇头节点。

11、网络中第k个簇中的簇头节点使用下式计算其在WIT阶段的传输 时间

并通过SDCCH信道将发送给AP；

12、AP按照从各簇头接收的使用TDMA方式对各个节点的传输时 段进行分配和调度；

1)WPT阶段：任意第m个PB将其发射功率设为P_m，M个PB并发传 输能量，持续时间为φ；

2)第1个WIT阶段：网络中第k个簇中的普通节点在各自被分配的时间段内向簇头传输信息，所使用的发射功率为

3)第2个WIT阶段：网络中第k个簇中的簇头节点在各自被分配的时 间段内向AP传输信息，所使用的发射功率为

本次能量和数据协同传输调度结束，转向步骤1开始下一工作周期。

步骤1～3中，每个簇内普通节点和簇头节点的距离一般在1米左右，而 这些节点和AP的距离一般在10米以上，普通节点受到硬件成本的限制其 发射功率较小，只能和距离较近的簇头节点通信，而无法直接和AP通信。 因此，在每个簇内，普通节点的信道状态信息、最小速率请求只能传输到簇 头节点，由簇头节点进行计算；

步骤4～5中，簇头节点和AP的距离一般在几十米以内，簇头节点则具 备较强的远距离通信能力，可以和距离较远的AP通信。步骤1～3中的计算 结果可以由簇头节点转发至AP进行全局计算和规划。

步骤6中，AP的发射功率较大，能够将WPT和WIT工作时间分配和 调度结果发送至网络中的簇头节点和PB。

步骤2中，系统需要满足网络中所有节点最小数据传输速率需求，可以 建模为如下数学最优化问题：

约束条件：

通过求解上述最优化问题，每个簇头节点得到第i个节点所要求的最小 WPT时间以及数据传输时间

步骤7中，AP不能和普通节点直接通信，AP需要先通过SDCCH信道 将参数φ发送给每个簇头节点，再由簇头节点通过SDCCH信道向本簇的n_k个普通节点转发φ。

本发明已经进行了多次仿真实验，下面介绍具体的实施例及其性能分析。 参照图1给出本发明采用能量和数据协同传输的无线体感网系统组成示意 图和图2给出的本发明无线能量传输时间和无线数据传输时间分配方案示 意图，作如下参数设置：网络的工作空间为长10米、宽10米宽、高3米的 普通病房，唯一的AP安装在病房天花板的中心，坐标是(5m，5m，3m)； 两个PB作为无线射频能源也部署在病房的天花板上，它们的坐标分别为(3.3m，3.3m，3m)和(6.6m，6.6m，3m)。将任意第m个PB的发射功率设 为P_m＝-20dB。网络的带宽大小为B＝1MHz。信道的噪声方差设置为 σ²＝10^-11，信道的功率律路径损耗被建模为1/d4，其中d是从发射机到接 收机的距离；人体阴影建模为高斯分布的随机变量，均值为零，方差为15dB； 对于网络中第k个簇中第i个节点，能量收集效率为用于WIT的 收获能量部分为

在实验中，把病房里的病人数确定为K＝4，每个病人的坐标分别为(1m， 1m，0m)，(3.7m，3.7m，0m)，(6.3m，6.3m，0m)和(9m，9m，0m)；每个 病人的普通节点数从2个增加到20个，这些节点在病人身体表面随机分布， 每个普通节点的最低数据速率需求设置为50Kbps/秒。实验进行了104次并 对实验结果进行求平均值计算。

参照图3，介绍随着每个病人携带节点数的增加，实现最低数据传输速 率所需的WPT时间和上传数据所需的总时间呈线性增长趋势。与分配给 WPT的时间相比，分配给WIT的工作时间占据了这个资源分配周期更大部 分的时间。当每个病人携带的节点数大于18个时，网络无法满足它们的最 低速率要求(50KB/秒)，因为满足最低速率要求所需的WPT和WIT时间大 于一个周期的时间(1秒)。在这种情况下，应采用准入控制，延迟部分节点 接入网络。

参照图4，将每个病人携带的节点数设为17个，介绍每个节点所获取 的数据传输速率，所有传感器节点的最低速率要求都得到了满足。首先是簇 头节点不仅能向AP上传自己的数据，而且还能将关联的普通节点的数据转 发给AP，说明当网络负载得到很好的控制时，本发明所提出的方案可以满 足WBAN节点的最小数据传输速率要求。

以上实验说明，本发明的仿真实验是成功的，实现了发明的目的。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释 本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和 范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和 边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，包括基站(AP)、M个无线射频能量发射源(PB)和监测节点，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在第k个簇内，普通节点在向簇头节点上传数据时，采用TDMA控制多个普通节点对共享无线信道的使用；

(2)网络的时间和频率域资源被划分为连续的多个资源块(RB)在一个RB内，多个簇头节点向AP上传数据时，采用TDMA控制多个簇头节点对共享无线信道的使用；在一个RB内，所有信道衰落系数都保持不变；

(3)每个簇头节点作为中继节点接收簇内普通节点上传的数据，并向AP转发该数据并上传其自身感知的数据；

(4)AP按照从各簇头接收的数据传输时间使用TDMA方式对各个节点的传输时段进行调度；

(4.1)WPT阶段：任意第m个PB将其发射功率设为P_m，M个PB并发传输能量，持续时间为φ；

(4.2)第1个WIT阶段：网络中第k个簇中的普通节点在各自被分配的时间段内向簇头传输信息，所使用的发射功率为

(4.3)第2个WIT阶段：网络中第k个簇中的簇头节点在各自被分配的时间段内向AP传输信息，所使用的发射功率为

2.根据权利要求1所述的无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，其特征在于，所述步骤(4)的调度方法包括以下步骤：

S01：网络中第k个簇中第i个普通节点通过独立控制信道(SDCCH)向其簇头节点发送信道状态信息，以及其最小数据传输速率需求

S02：获得第k个簇中第i个节点所要求的最小WPT时间该簇所要求的最小WPT时间φ^k，以及数据传输时间

S03：任意第k个簇头节点通过SDCCH信道将φ^k发送给AP；

S04：AP获得整个网络所要求的最小WPT时间φ，并通过SDCCH信道将φ发送给网络中的簇头节点和PB；

S05：簇头节点通过SDCCH信道向本簇的普通节点转发φ；

S06：第k个簇中第i个节点计算其在WPT阶段补充的能量其中，P_m表示第m个PB的WPT功率，表示第k个簇中第i个节点使用所采集能量用于WIT的能量，表示第m个PB与第k个簇中第i个节点之间的信道增益；

S07：第k个簇中第i个节点在WIT阶段使用的发射功率 其中，表示第k个簇中第i个节点的能量采集效率，表示分配给第k个簇中的第i个普通节点的WIT时间；

S08：第k个簇中的第i个普通节点计算在WIT阶段的传输时间并通过SDCCH信道将发送给簇头节点；

其中，为第k个簇中第i个节点的最小数据传输速率，σ²表示无线信道的噪声功率，表示第i个普通节点与簇头节点之间的信道增益；

S09：第k个簇中的簇头节点计算其在WIT阶段的传输时间并通过SDCCH信道发送给AP；

S10：AP按照从各簇头接收的对各个节点的传输时段进行调度。

3.根据权利要求2所述的无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，其特征在于，所述步骤S02中获得第k个簇中第i个节点所要求的最小WPT时间通过求解下述方程组得到：

其中，表示簇头节点与AP之间的信道增益，B为工作频率带宽，n_k为监测节点数。

4.根据权利要求3所述的无线体感网中能量和数据协同传输调度方法，其特征在于，所述簇头节点得到第i个节点所要求的最小WPT时间以及数据传输时间的步骤为：

将满足网络中所有节点最小数据传输速率需求建模为数学最优化问题：

约束条件：

通过求解上述最优化问题得到以及数据传输时间