CN111586613B - 基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法，属于体域网中无线信息传输，无线能量收集领域。构建无线体域网中含有多个传感器的全双工系统模型，系统中包括了一个源节点和多个目的节点；建立无线体域网系统中多节点间的无线通信模型，根据无线体域网传输特性构建适合多节点的信道模型，确定无线体域网中全双工多节点间的无线传输协议；将整个时间阶段分为活跃和非活跃两个阶段，得到最优时间分配比，进而得到最大平均和吞吐量。本发明将多传感器节点引入无线体域网中，能够得到多种重要参数，传感器均工作在全双工模式下，有效提高了资源利用率，提高了系统的性能。

Description

基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法
技术领域
本发明涉及体域网中无线信息传输，无线能量收集领域，具体是基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法。
背景技术
随着社会的进步，各种生活节奏的加快，现在慢性病也越来越多，在1999年到2019年短短20年间，我国居民高血压、糖尿病等慢性病的发病率急速攀升，很多的慢性病，正在向年轻人靠近。随着社会工作压力的增加，生活节奏的加快，现代人亚健康和慢性病的并发率逐年增高，并且发病群体有年轻化的趋势，在某种情况下，患病是由于长期不锻炼、夜晚熬夜、久坐、生活不规律和长期加班等原因造成的，而导致疾病形成更关键的因素是人们忽略了前期症状，没有第一时间地检测身体状况，及时预防疾病。传统医疗模式不能满足发展需要，人们的健康需求已由传统、单一的医疗治疗型，向疾病预防型、保健型和健康促进型转变。因此，需要一种实现预防为主、早诊断、早治疗的医疗保障系统，实时监测血压、血氧、心电、心率等重要的人体生理参数，及时有效地实现疾病的预防和治疗。
因此，开发用户可以长时间“穿戴”、可以应用各种传感器采集用户体外数据或生理参数的轻量性的可穿戴医疗系统是有效可行的解决措施。无线体域网(Wireless BodyArea Network,WBAN)是一种实时、低功耗、短距离的通信网络。WBAN由几种不同类型的传感器组成，这些传感器被植入或放置在皮肤上分别在体内或在体外。体内区域网络用于皮肤传感器之间的通信，体内区域网络可以实现植入皮肤的传感器之间的通信。适用于医疗、个人保健、体育、军事、健身等领域。这些传感器可以连续测量身体活动的生理和上下文参数，可以对已有生理参数数据的分类学习、对实时信号数据分析对比，然后源节点将这些感觉数据传输到医疗中心，从而对发病进行预警，并将发病过程中重要的人体生理信息存入数据库中。
体域网内有些传感器是植入体内的，更换十分困难，传感器的能源是有限的，而且其有限性直接影响到体域网的生存周期，能量收集是体域网的重要环节。2005年VijayRaghunathan等人提出环境能量收集概念，特别是基于具有高度时变特性的太阳能给传感器节点供电，可自主管理能量收集和存储，实现传感器节点近乎永久的感知操作。2012年以来Barroca N，Cheng J，Movassaghi S等提出收集空间中丰富的射频信号(RadioFrequency signal,RF signal)能量转换为电能供节点使用，如移动基站辐射的RF信号，随身携带的手机发送的RF信号，以及多个体域网同时存在时相互之间产生的干扰信号等。HJVisser等人在2013年概述了通过射频信号进行能量收集为无线传感器节点供电的原理。讨论了能量收集的可行性，得出射频信号能量传输是小型传感器供电的首选。2013年X.Zhou提出了两种接收机制：基于时间分配和机遇功率分配的接收机制，实现了信息与能量的同时传输。
在无线体域网中，由于节点放置在人体体表或体内，传感器节点对能量的收集更加困难。充足的能量可以提高网络效率，延长网络寿命，降低通信的维护成本。因此，解决节点的供能问题，实现无线体域网的能量供应使其可持续性工作是十分有必要的而且将面临较大的挑战。在无线体域网中，无线通信具有高度的动态性，随着传感器节点位置的变化而变化，这样的动态特性使得传感器信息传输的可靠性和高效性难以保证。因此，设计一种动态环境下高效和可靠的WBAN能量和信息协作传输的通信协议是十分必要的，也是亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明提供一种基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法，以解决目前传感器信息传输的可靠性和高效性难以保证的问题。目前现有的研究模型大多是基于单点的无线体域网能量和信息传输算法研究，多点的能量和信息传输模型较少，本发明研究多点在全双工模式下的信息和能量传输方法，更加符合无线体域网中的实际问题，并且有效提高了信息传输效率。
本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：
(1)构建全双工多点的无线体域网系统模型，系统中包括了源节点和多个目的节点，实现源节点和目的节点之间的无线信息和能量传输；
(2)确定全双工多点的无线体域网系统节点间的通信协议，根据无线体域网传输特性确定适合多节点的信道模型，并根据射频信号的特点，确定无线体域网中全双工多节点间的基于时间分配的无线传输协议；
(3)根据全双工多点的无线体域网系统模型的特点，将整个时间阶段分为活跃和非活跃两个阶段，并通过联合目标线性规划方法，得到最优时间分配比，进而得到最大平均和吞吐量。
本发明所述步骤(1)中构建全双工多点的无线体域网系统模型如下：
所构建的无线体域网系统模型包含一个源节点(S)、N个目的节点Di,i＝1,2,...,N，并且该N个目的节点分布在人体表面能够收集多种生理参数信息；在所建立的无线体域网系统模型中，首先源节点广播能量信号，目的节点接收能量信号，然后目的节点由于工作在全双工模式，一方面通过时分多址的方式向源节点发送无线信息信号，一方面仍然接收来自源节点的无线能量信号，从而实现能量的累积；考虑到单一传感器只能获取单一生理参数，不满足无线体域网的实际要求，同时考虑到当目的节点不储存初始能量的情况，可以通过先进行无线能量收集然后再实现无线信息传输；
本发明所述步骤(2)中确定无线体域网系统中全双工多节点间的基于时间分配的无线通信协议，具体如下：
(1)建立无线体域网中全双工多节点的信道模型
源节点(S)和各个目的节点(Di,i＝1,2,...,N)之间的信道是相互独立的，符合无线体域网信道路径损耗模型，hi表示源节点到目的节点之间的信道路径损耗，gi表示目的节点Di到源节点之间的信道路径损耗，源节点和目的节点Di之间的距离用di表示，多节点的平均信道路径损耗模型如式(1)所示：
Figure BDA0002485318190000031
其中，PL为平均信道路径损耗，n为路径损耗指标，d0为参考距离，PL'为相对于参考距离d0的路径损耗；
(2)确定无线体域网系统中全双工多节点间的传输协议
根据先收集能量然后发送信息的方法，参考无线传感器网络中的能量收集技术，系统节点间传输协议分为两个部分，(0,αT)为无线能量传输阶段、(αT,T)为无线信息和能量同时传输阶段，α(0<α<1)表示时间分配比，T表示时间块长度；在(0,αT)无线能量传输阶段，源节点(S)向所有目的节点(Di,i＝1,2,...,N)广播无线能量信号，当每个目的节点收集的能量均达到其阈值Eon.i时开启下一阶段，在(αT,T)阶段，目的节点通过时分多址的方式进行信息传输，将整个时间平均分为N个时隙；因此整个协议共包含(N+1)个时隙，在整个阶段源节点均广播能量信号，在第(i+1)个时隙，第i个目的节点既向源节点发送信息信号，又接收来自源节点的能量信号。
本发明所述步骤(3)中将整个时间阶段分为活跃和非活跃两个阶段，并通过联合目标线性规划方法，得到最优时间分配比，进而得到最大平均和吞吐量，具体如下：
(1)在非活跃阶段的无线能量传输过程
在全双工模型的通信中，采用先收集能量然后发送信息的方法：在非活跃阶段，源节点(S)广播能量信号，目的节点(Di,i＝1,2,...,N)均接受来自源节点的能量信号，假设目的节点没有初始能量，所有能量均来自于从源节点处接收的能量，源节点有充足的能量供应，源节点的发射功率是ρt，源节点与Di之间的距离是R，则Di接收的功率如式(2)所示：
Figure BDA0002485318190000041
其中，Gt和Gr是发射和接收天线的增益，λ是波长，这里我们仅考虑Di的接收功率，而不考虑其收集能量的细节，因此，在非活跃阶段Di接收的能量如式(3)所示：
E0,i＝ρiαT (3)
(2)在活跃阶段的无线信息和能量传输过程
在无线信息和能量同时传输的活跃阶段，由于自干扰等干扰的存在，导致Di接收能量的效率变低，由于源节点发射功率较大，因此可以忽略Di从其他目的节点收集到的由于干扰产生的能量，用ηi表示能量转换效率，因此，在活跃阶段Di接收的能量如式(4)所示：
E1,i＝ρi(1-α)ηiT (4)
因此整个时间块Di接收的总能量如式(5)所示：
Ei＝E0,i+E1,i＝ρiαT+ρi(1-α)ηiT (5)
在活跃阶段，Di向源节点发送信息信号，Di能使用的最大发射功率如式(6)所示：
Figure BDA0002485318190000042
在活跃阶段，源节点从所有目的节点接收的总信息信号如式(7)所示：
Figure BDA0002485318190000043
其中，Pti表示Di向源节点发送信息信号时的发射功率，gi表示Di到源节点的体表信道增益，由公式(1)被建模为
Figure BDA0002485318190000051
xi表示目的节点处发出的归一化信息信号，即E{|xi|2}＝1，其中E{·}表示期望算子，|·|表示取绝对值，
Figure BDA0002485318190000052
表示源节点处的加性高斯白噪声服从均值为0、方差为
Figure BDA0002485318190000053
的高斯分布；
(3)系统性能优化
整个时间块源节点(S)处接收信息信号的信噪比如式(8)所示：
Figure BDA0002485318190000054
源节点(S)处标准化的信息吞吐量表达式如式(9)所示：
Figure BDA0002485318190000055
在系统性能最优问题中，由于在非活跃阶段，目的节点Di收集的能量E0,i需要大于其固定的能量阈值，Eon,i表示能量阈值，在无线体域网中，传感器用来传输信息的传输功率Pti不能超过人体所不能承受的最大值Pmax，否则会对人体造成一定的伤害，因此，传感器在传输信息时的传输功率要取整个阶段采集的功率Pi与人体所能承受的最大功率Pmax之间最小者，因此本系统的平均和吞吐量优化问题如式(10)所示：
Figure BDA0002485318190000056
将所有目的节点分为M个和K个两部分，其中前M个目的节点满足Ptm＝Pm，后K个目的节点满足Ptk＝Pmax，将式(3)和式(6)代入式(10)，本系统的平均和吞吐量优化问题转化为如式(11)所示：
Figure BDA0002485318190000061
令
Figure BDA0002485318190000062
可将式(11)转化为式(12)所示：
Figure BDA0002485318190000063
通过数学推导可证明该函数是α的凸函数，因此该问题也是一个凸优化问题，可以通过应用凸优化技术来解决，通过凸优化技术，得到最优时间分配比，因此得到系统最大平均和吞吐量。
本发明的有益效果是：
本发明针对无线体域网中通信具有高度的动态性和高度的复杂性，传输信息随着传感器节点位置的变化而变化，单一传感器无法满足测量多种生理参数的需求，提出基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法，建立了无线体域网中全双工多点无线信息和能量传输系统模型，确定了无线体域网中基于时间分配的全双工多点无线信息和能量传输协议，考虑目的节点不含有初始能量的情况，先进行能量收集再通过时分多址的方法进行信息传输，令源节点和目的节点均工作在全双工模式下，在目的节点传输信息时仍然能够接收能量信号，实现了能量的累积，有效提高了资源利用率，通过提高系统的平均和吞吐量提高了系统的性能。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明所构建的无线体域网系统模型图；
图3是本发明的无线通信协议图；
图4是SFD系统无线通信协议示意图。
具体实施方式
包括下列步骤：
(1)构建全双工多点的无线体域网系统模型，系统中包括了源节点和多个目的节点，实现源节点和目的节点之间的无线信息和能量传输；
(2)确定全双工多点的无线体域网系统节点间的通信协议，根据无线体域网传输特性确定适合多节点的信道模型，并根据射频信号的特点，确定无线体域网中全双工多节点间的基于时间分配的无线传输协议；
(3)根据全双工多点的无线体域网系统模型的特点，将整个时间阶段分为活跃和非活跃两个阶段，并通过联合目标线性规划方法，得到最优时间分配比，进而得到最大平均和吞吐量。
图1所示为本发明所提出方法的流程示意图。
所述步骤(1)中构建全双工多点的无线体域网系统模型，包括：
本发明所构建的无线体域网系统模型如图2所示，包含一个源节点(S)、N个目的节点Di,i＝1,2,...,N，并且该N个目的节点分布在人体表面能够收集多种生理参数信息。在本发明所建立的无线体域网系统模型中，首先源节点广播能量信号，目的节点接收能量信号，然后目的节点由于工作在全双工模式，一方面通过时分多址的方式向源节点发送无线信息信号，一方面仍然接收来自源节点的无线能量信号，从而实现能量的累积。本发明考虑到单一传感器只能获取单一生理参数，不满足无线体域网的实际要求，同时考虑到当目的节点不储存初始能量的情况，可以通过先进行无线能量收集然后再实现无线信息传输，本发明所假设的场景具有实际的参考价值。
所述步骤(2)中确定无线体域网系统中全双工多节点间的基于时间分配的无线通信协议，包括：
(1)建立无线体域网中全双工多节点的信道模型
假设源节点(S)和各个目的节点(Di,i＝1,2,...,N)之间的信道是相互独立的，符合无线体域网信道路径损耗模型，我们假设hi表示源节点到目的节点之间的信道路径损耗，gi表示目的节点Di到源节点之间的信道路径损耗，源节点和目的节点Di之间的距离用di表示。多节点的平均信道路径损耗模型如式(1)所示。
Figure BDA0002485318190000071
其中，PL为平均信道路径损耗，n为路径损耗指标，d0为参考距离，PL'为相对于参考距离d0的路径损耗。
(2)确定无线体域网系统中全双工多节点间的传输协议
根据先收集能量然后发送信息的方法，参考无线传感器网络中的能量收集技术，本发明系统节点间传输协议分为两个部分，如图3所示，(0,αT)为无线能量传输阶段、(αT,T)为无线信息和能量同时传输阶段，α(0<α<1)表示时间分配比，T表示时间块长度。在(0,αT)无线能量传输阶段，源节点(S)向所有目的节点(Di,i＝1,2,...,N)广播无线能量信号，当每个目的节点收集的能量均达到其阈值Eon.i时开启下一阶段，在(αT,T)阶段，目的节点通过时分多址的方式进行信息传输，将整个时间平均分为N个时隙。因此整个协议共包含(N+1)个时隙，在整个阶段源节点均广播能量信号，在第(i+1)个时隙，第i个目的节点既向源节点发送信息信号，又接收来自源节点的能量信号。
所述步骤(3)中将整个时间阶段分为活跃和非活跃两个阶段，并通过联合目标线性规划方法，得到最优时间分配比，进而得到最大平均和吞吐量，包括：
(1)在非活跃阶段的无线能量传输过程
在全双工模型的通信中，我们采用先收集能量然后发送信息的方法。在非活跃阶段，源节点(S)广播能量信号，目的节点(Di,i＝1,2,...,N)均接受来自源节点的能量信号，假设目的节点没有初始能量，所有能量均来自于从源节点处接收的能量，源节点有充足的能量供应。参考无线传感器网络中的能量收集技术，我们认为源节点的发射功率是ρt，源节点与Di之间的距离是R，则Di接收的功率如式(2)所示：
Figure BDA0002485318190000081
其中，Gt和Gr是发射和接收天线的增益，λ是波长。这里我们仅考虑Di的接收功率，而不考虑其收集能量的细节，因此，在非活跃阶段Di接收的能量如式(3)所示：
E0,i＝ρiαT (3)
(2)在活跃阶段的无线信息和能量传输过程
在无线信息和能量同时传输的活跃阶段，由于自干扰等干扰的存在，导致Di接收能量的效率变低，由于源节点发射功率较大，因此可以忽略Di从其他目的节点收集到的由于干扰产生的能量，用ηi表示能量转换效率，因此，在活跃阶段Di接收的能量如式(4)所示：
E1,i＝ρi(1-α)ηiT (4)
因此整个时间块Di接收的总能量如式(5)所示：
Ei＝E0,i+E1,i＝ρiαT+ρi(1-α)ηiT (5)
在活跃阶段，Di向源节点发送信息信号，Di能使用的最大发射功率如式(6)所示。
Figure BDA0002485318190000091
在活跃阶段，源节点从所有目的节点接收的总信息信号如式(7)所示。
Figure BDA0002485318190000092
其中，Pti表示Di向源节点发送信息信号时的发射功率，gi表示Di到源节点的体表信道增益，由公式(1)被建模为
Figure BDA0002485318190000093
xi表示目的节点处发出的归一化信息信号，即E{|xi|2}＝1，其中E{·}表示期望算子，|·|表示取绝对值，
Figure BDA0002485318190000094
表示源节点处的加性高斯白噪声服从均值为0、方差为
Figure BDA0002485318190000095
的高斯分布；
(3)系统性能优化
整个时间块源节点(S)处接收信息信号的信噪比如式(8)所示。
Figure BDA0002485318190000096
源节点(S)处标准化的信息吞吐量表达式如式(9)所示。
Figure BDA0002485318190000097
在本发明的系统性能最优问题中，由于在非活跃阶段，目的节点Di收集的能量E0,i需要大于其固定的能量阈值，Eon,i表示能量阈值。在无线体域网中，传感器用来传输信息的传输功率Pti不能超过人体所不能承受的最大值Pmax，否则会对人体造成一定的伤害。因此，传感器在传输信息时的传输功率要取整个阶段采集的功率Pi与人体所能承受的最大功率Pmax之间最小者。因此本系统的平均和吞吐量优化问题如式(10)所示。
Figure BDA0002485318190000101
将所有目的节点分为M个和K个两部分，其中前M个目的节点满足Ptm＝Pm，后K个目的节点满足Ptk＝Pmax，将式(3)和式(6)代入式(10)，本系统的平均和吞吐量优化问题转化为如式(11)所示。
Figure BDA0002485318190000102
我们令
Figure BDA0002485318190000103
可将式(11)转化为式(12)所示。
Figure BDA0002485318190000104
通过数学推导可证明该函数是α的凸函数，因此该问题也是一个凸优化问题，可以通过应用凸优化技术来解决。通过凸优化技术，我们能够得到最优时间分配比，因此得到系统最大平均和吞吐量。
为了证明本发明的有效性，我们进行了对比实验。在对比实验中，仅源节点工作在全双工模式，而目的节点工作在半双工模式，我们将其称为SFD系统，其无线通信协议如图4所示。
在SFD的通信中，在第一个时隙非活跃阶段，源节点(S)向所有目的节点(Di,i＝1,2,...,N)广播能量，目的节点收集能量，达到各自的阈值，开始活跃阶段。在活跃阶段，因为目的节点在半双工模式工作，在第(i+1)时隙目的节点Di仅向源节点发送其收集到的人体生理参数信息信号，不能接受来自源节点广播的能量信号。在其他时隙，Di仅接受来自源节点发送的能量信号，不能向源节点发送信息信号。因此，SFD系统中整个时间块Di所接收的总能量如式(13)所示：
Figure BDA0002485318190000111
在活跃阶段，Di向源节点发送信息信号，Di能使用的最大发射功率如式(14)所示：
Figure BDA0002485318190000112
在活跃阶段，源节点从所有目的节点接收的总信息信号如式(15)所示：
Figure BDA0002485318190000113
其中，
Figure BDA0002485318190000114
表示在SFD系统中Di向源节点发送信息信号时的发射功率。
整个时间块源节点处接收信息信号的信噪比如式(16)所示：
Figure BDA0002485318190000115
因此，在SFD系统中，源节点处标准化的信息吞吐量表达式如式(17)所示：
Figure BDA0002485318190000116
同样的方法能够证明SFD系统的平均和吞吐量也是凸优化问题，如式(18)所示，在此不再赘述：
Figure BDA0002485318190000117
其中，
Figure BDA0002485318190000118
Figure BDA0002485318190000119
我们以两个传感器系统的能量转换效率为例。体域网的体表信道中，PL'＝56.1，n＝5.8，d0＝10cm表示参考距离，d1＝25cm表示源节点和D1之间的距离，d2＝35cm表示源节点和D2之间的距离。我们设定时间块T＝1s，D1的能量阈值为Eon,1＝0.05mJ，D2的能量阈值为D2，人体能承受的最大发射功率Pmax＝1.5mw，噪声功率
Figure BDA0002485318190000121
为了简化问题，我们令η1＝η2＝...＝ηN＝η，ρ1被固定为0.5mw，ρ2分别取0.45mw和0.4mw，在此系统参数下对本发明和对比实验中最大平均和吞吐量与能量转换效率的关系进行仿真验证。仿真证明本发明的基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输协议性能优于仅源节点是全双工的多点无线信息和能量传输协议。此外，在距离、噪声功率和传感器收集功率不固定的条件下皆存在这种情况，均证明该方法有效提高了系统的性能。
本发明针对无线体域网中的高动态性和高复杂性，传输信息随着传感器节点位置的变化而变化，单一传感器无法满足测量多种生理参数的需求，提出基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法，传感器均工作在全双工模式下，有效提高了资源利用率，提高了系统的性能，本发明有着重要的实际意义。前人对于全双工多点信息和能量传输的研究中未考虑目的节点没有初始能量的情况，在无线体域网中这种情况不应该被忽略。本发明通过分析本协议与SFD协议的平均和吞吐量分析，通过对比二者仿真结果，证明本发明大大提高了信息吞吐量，达到优化系统性能的目的。

Claims (2)

1.一种基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)构建全双工多点的无线体域网系统模型，系统中包括了源节点和多个目的节点，实现源节点和目的节点之间的无线信息和能量传输；
(2)确定全双工多点的无线体域网系统节点间的通信协议，根据无线体域网传输特性确定适合多节点的信道模型，并根据射频信号的特点，确定无线体域网中全双工多节点间的基于时间分配的无线传输协议，具体如下：
1)建立无线体域网中全双工多节点的信道模型
源节点(S)和各个目的节点Di,i＝1,2,...,N，之间的信道是相互独立的，N是目的节点个数，符合无线体域网信道路径损耗模型，hi表示源节点到目的节点之间的信道路径损耗，gi表示目的节点Di到源节点之间的信道路径损耗，源节点和目的节点Di之间的距离用di表示，多节点的平均信道路径损耗模型如式(1)所示：
Figure FDA0003392283750000011
其中，PL为平均信道路径损耗，n为路径损耗指标，d0为参考距离，PL'为相对于参考距离d0的路径损耗；
2)确定无线体域网系统中全双工多节点间的传输协议
根据先收集能量然后发送信息的方法，参考无线传感器网络中的能量收集技术，系统节点间传输协议分为两个部分，(0,αT)为无线能量传输阶段、(αT,T)为无线信息和能量同时传输阶段，α，0<α<1，表示时间分配比，T表示时间块长度；在(0,αT)无线能量传输阶段，源节点(S)向所有目的节点(Di,i＝1,2,...,N)广播无线能量信号，当每个目的节点收集的能量均达到其阈值Eon.i时开启下一阶段，在(αT,T)阶段，目的节点通过时分多址的方式进行信息传输，将整个时间平均分为N个时隙；因此整个协议共包含(N+1)个时隙，在整个阶段源节点均广播能量信号，在第(i+1)个时隙，第i个目的节点既向源节点发送信息信号，又接收来自源节点的能量信号；
(3)根据全双工多点的无线体域网系统模型的特点，将整个时间阶段分为活跃和非活跃两个阶段，并通过联合目标线性规划方法，得到最优时间分配比，进而得到最大平均和吞吐量，具体如下：
1)在非活跃阶段的无线能量传输过程
在全双工模型的通信中，采用先收集能量然后发送信息的方法：在非活跃阶段，源节点(S)广播能量信号，目的节点(Di,i＝1,2,...,N)均接受来自源节点的能量信号，假设目的节点没有初始能量，所有能量均来自于从源节点处接收的能量，源节点有充足的能量供应，源节点的发射功率是ρt，源节点与Di之间的距离是R，则Di接收的功率如式(2)所示：
Figure FDA0003392283750000021
其中，Gt和Gr是发射和接收天线的增益，λ是波长，这里我们仅考虑Di的接收功率，而不考虑其收集能量的细节，因此，在非活跃阶段Di接收的能量如式(3)所示：
E0,i＝ρiαT (3)
2)在活跃阶段的无线信息和能量传输过程
在无线信息和能量同时传输的活跃阶段，由于自干扰的存在，导致Di接收能量的效率变低，由于源节点发射功率，因此忽略Di从其他目的节点收集到的由于干扰产生的能量，用ηi表示能量转换效率，因此，在活跃阶段Di接收的能量如式(4)所示：
E1,i＝ρi(1-α)ηiT (4)
因此整个时间块Di接收的总能量如式(5)所示：
Ei＝E0,i+E1,i＝ρiαT+ρi(1-α)ηiT (5)
在活跃阶段，Di向源节点发送信息信号，Di能使用的最大发射功率如式(6)所示：
Figure FDA0003392283750000022
在活跃阶段，源节点从所有目的节点接收的总信息信号如式(7)所示：
Figure FDA0003392283750000023
其中，Pti表示Di向源节点发送信息信号时的发射功率，gi表示Di到源节点的体表信道增益，由公式(1)被建模为
Figure FDA0003392283750000031
xi表示目的节点处发出的归一化信息信号，即E{|xi|2}＝1，其中E{·}表示期望算子，|·|表示取绝对值，
Figure FDA0003392283750000032
表示源节点处的加性高斯白噪声服从均值为0、方差为
Figure FDA0003392283750000033
的高斯分布；
3)系统性能优化
整个时间块源节点(S)处接收信息信号的信噪比如式(8)所示：
Figure FDA0003392283750000034
源节点(S)处标准化的信息吞吐量表达式如式(9)所示：
Figure FDA0003392283750000035
在系统性能最优问题中，由于在非活跃阶段，目的节点Di收集的能量E0,i需要大于其固定的能量阈值，Eon,i表示能量阈值，在无线体域网中，传感器用来传输信息的传输功率Pti不能超过人体所不能承受的最大值Pmax，否则会对人体造成的伤害，因此，传感器在传输信息时的传输功率要取整个阶段采集的功率Pi与人体所能承受的最大功率Pmax之间最小者，因此本系统的平均和吞吐量优化问题如式(10)所示：
Figure FDA0003392283750000036
将所有目的节点分为M个和K个两部分，其中前M个目的节点满足Ptm＝Pm，后K个目的节点满足Ptk＝Pmax，将式(3)和式(6)代入式(10)，本系统的平均和吞吐量优化问题转化为如式(11)所示：
Figure FDA0003392283750000037
令
Figure FDA0003392283750000041
Figure FDA0003392283750000042
可将式(11)转化为式(12)所示：
Figure FDA0003392283750000043
通过数学推导证明该函数是α的凸函数，因此该问题也是一个凸优化问题，通过应用凸优化技术来解决，通过凸优化技术，得到最优时间分配比，因此得到系统最大平均和吞吐量。
2.根据权利要求1所述的基于无线体域网的全双工多点无线信息和能量传输方法，其特征在于，所述步骤(1)中构建全双工多点的无线体域网系统模型如下：
所构建的无线体域网系统模型包含一个源节点(S)、N个目的节点Di,i＝1,2,...,N，并且该N个目的节点分布在人体表面能够收集多种生理参数信息；在所建立的无线体域网系统模型中，首先源节点广播能量信号，目的节点接收能量信号，然后目的节点由于工作在全双工模式，一方面通过时分多址的方式向源节点发送无线信息信号，一方面仍然接收来自源节点的无线能量信号，从而实现能量的累积；考虑到单一传感器只能获取单一生理参数，不满足无线体域网的实际要求，同时考虑到当目的节点不储存初始能量的情况，通过先进行无线能量收集然后再实现无线信息传输。
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