一種基于節(jié)點(diǎn)位置的中繼選擇及功率控制聯(lián)合優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無線體域網(wǎng)中，在人體移動(dòng)情境下保證通信可靠性的中繼選擇和功率控制聯(lián)合優(yōu)化方法，包括鏈路狀態(tài)的監(jiān)測過程、最優(yōu)中繼節(jié)點(diǎn)及發(fā)送功率的選擇過程，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)位置、信道狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況等多種因素。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)簡單，適用場景廣闊，能在保證傳輸可靠性的同時(shí)，最大限度的降低節(jié)點(diǎn)能耗，從而延長整個(gè)無線體域網(wǎng)的壽命。
【專利說明】
-種基于節(jié)點(diǎn)位置的中繼選擇及功率控制聯(lián)合優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種在無線體域網(wǎng)中保證通信可靠性的中繼 選擇和功率控制方法。該方法主要用于控制無線體域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的傳輸策略，是一種能夠獲 得更高可靠性W及更長網(wǎng)絡(luò)壽命的傳輸機(jī)制，尤其設(shè)及無線傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線體域網(wǎng)具有規(guī)模小、可擴(kuò)展、近距離的特點(diǎn)，是W人體為中屯、的動(dòng)態(tài)混合型的 網(wǎng)絡(luò)。由于人體幾何結(jié)構(gòu)的限制，無線體域網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量比較少，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也 就比較小。而且，由于要采集特定的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置是比較固定的。隨著 人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所提供服務(wù)的需求越來越多，需要外置設(shè)備來實(shí)現(xiàn)具體功能，所W， 無線體域網(wǎng)需要提供多種的空中接口，W便進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。由于無線體域網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn) 布置在人體上，其通信范圍是有限的，現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的路由算法和協(xié)議就不 再是最優(yōu)的。無線體域網(wǎng)與傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別在于W人體為中屯、，人體的安全性 是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中必須考慮的因素，所W傳感器節(jié)點(diǎn)必須是低發(fā)射功率的。另外，由于人體 表面特征、人體組織結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的復(fù)雜性，使得體域網(wǎng)的信道特征相對(duì)來說比較復(fù)雜。 而且，無線體域網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨人體運(yùn)動(dòng)和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)而動(dòng)態(tài)變化，無線體域網(wǎng)必須能夠適 應(yīng)運(yùn)些變化，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)具有可重構(gòu)性。因此，無線體域網(wǎng)的設(shè)計(jì)必須要處理好W下幾方 面的挑戰(zhàn)：
[0003] 1)無線體域網(wǎng)信道的不可預(yù)測性。由于人體組織和結(jié)構(gòu)的特殊性和人體運(yùn)動(dòng)的復(fù) 雜性，對(duì)人體進(jìn)行信道建模W及針對(duì)具體場景的信道建模都存在很多困難。人體自身對(duì)無 線信道的遮擋作用將會(huì)導(dǎo)致很強(qiáng)的陰影效應(yīng)，人體體表和體內(nèi)的某些組織和器官對(duì)無線信 號(hào)的衰減作用非常明顯，使得信號(hào)的包絡(luò)發(fā)生嚴(yán)重波動(dòng)，接收信號(hào)功率可能出現(xiàn)低于接收 機(jī)靈敏度的現(xiàn)象。另外，當(dāng)人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也隨著動(dòng)態(tài)改變，會(huì)對(duì)無線 信道造成劇烈影響，接收信號(hào)的強(qiáng)度也隨之變化，例如，人體兩側(cè)手臂的擺動(dòng)會(huì)影響接收功 率。另外，即使是簡單的慢速運(yùn)動(dòng)，也可能會(huì)造成信號(hào)的傳輸方式變化，引起快速的信號(hào)衰 落。
[0004] 2)能量有限性。無線體域網(wǎng)的特性要求佩戴在人體或嵌入到體內(nèi)的傳感器應(yīng)具有 非常小的尺寸，運(yùn)就大大限制了傳感器的計(jì)算性能W及電池容量。嵌入到體內(nèi)的傳感器節(jié) 點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用需求，往往要持續(xù)工作數(shù)月甚至數(shù)年，運(yùn)段時(shí)間內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的電池并不能夠得到更 換。運(yùn)些問題對(duì)無線體域網(wǎng)的能效提出了極大挑戰(zhàn)，因此，每一個(gè)無線體域網(wǎng)的研究者都必 須面對(duì)節(jié)點(diǎn)的能耗問題。
[0005] 3)發(fā)送功率受限。面向醫(yī)學(xué)應(yīng)用的無線體域網(wǎng)要求在超低功耗條件下實(shí)現(xiàn)保證服 務(wù)質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)需要解決多個(gè)體域網(wǎng)共存的問題。過高的發(fā)送功率伴隨而來的高 電磁福射可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)人體皮膚的灼傷，也會(huì)造成不同體域網(wǎng)之間的干擾。在IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中，可查閱到節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率最高建議不超過lmW(0地m)，而且應(yīng)用于醫(yī)療系 統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)功率建議為0. lmW(-10地m)。因此在低功耗條件下，同時(shí)滿足高傳輸速率和高質(zhì)量 數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笫且粋€(gè)重要的挑戰(zhàn)。
[0006] 4)高度可靠性的要求。面向無線體域網(wǎng)的不同應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量要求不同：大多數(shù) 的生理數(shù)據(jù)監(jiān)控應(yīng)用產(chǎn)生的是周期性、低速率的數(shù)據(jù)流，而一些娛樂應(yīng)用是高速流的形式， 還有一些緊急情況下(如屯、率、血壓等達(dá)到危險(xiǎn)狀況)的報(bào)警信息需要瞬間W最高速率和最 低誤碼率發(fā)出。而體域網(wǎng)的不穩(wěn)定性和異構(gòu)性為實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃詭砹艘幌盗欣?難，因此需要重點(diǎn)研究低功耗條件下和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌臒o線體域網(wǎng)提高通信可靠性、保 證服務(wù)質(zhì)量的問題。
[0007] 針對(duì)上述問題，有研究者提出了解決方案。David Smith等人研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)星形 拓?fù)涞臒o線體域網(wǎng)信道的平均中斷概率超過10%，運(yùn)表明單鏈路的無線體域網(wǎng)的信道并不 滿足可靠性的要求。僅通過增大發(fā)送功率來提高無線體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃允遣豢扇?的，過大的發(fā)送功率會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生無法承受的電磁福射，同時(shí)，還會(huì)引起不同無線體域網(wǎng)之 間的強(qiáng)烈干擾問題。因此，中繼協(xié)作傳輸機(jī)制被無線體域網(wǎng)廣泛采用。通過空間分集，傳輸 的可靠性大大提高。在中繼傳輸機(jī)制中，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間的無線信道由于陰影 效應(yīng)等原因出現(xiàn)狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)將丟失數(shù)據(jù)包的副本通過其它鏈路進(jìn)行傳輸。 有研究表明，采用中繼傳輸機(jī)制的無線體域網(wǎng)，其鏈路中斷概率遠(yuǎn)小于非中繼傳輸鏈路，因 此可靠性較高。但是，中繼傳輸機(jī)制也有其缺點(diǎn)：它引入了額外的開銷，在數(shù)據(jù)包發(fā)送過程 中，必須使中繼節(jié)點(diǎn)保持喚醒狀態(tài)，W便對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)。如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信頻 繁，中繼節(jié)點(diǎn)將不得不一直喚醒，電量將快速耗盡。例如，如果采用Advanced BATMAC機(jī)制 (advanced body area network adaptive time division multiple access medium access con化ol)。在運(yùn)個(gè)機(jī)制下，中繼節(jié)點(diǎn)的能耗比普通傳感器的能耗高70%，其使用壽 命遠(yuǎn)低于普通的傳感器節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為了使佩戴傳感器節(jié)點(diǎn)用戶舒適，一般應(yīng)盡量減少傳感 器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目，中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能在普通傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，運(yùn)樣就免于佩戴單獨(dú)的中繼節(jié)點(diǎn)。然 而具有中繼功能的傳感器節(jié)點(diǎn)能耗更高，整個(gè)無線體域網(wǎng)的壽命會(huì)被進(jìn)一步縮短。
[0008] Liang丄等將功率控制機(jī)制應(yīng)用于一個(gè)支持多跳的無線體域網(wǎng)中，提出了一種低 能耗的路由選擇機(jī)制EERS(energy-efficient routing scheme)〇EERS基于CTP (collection tree protocol)協(xié)議，CTP協(xié)議是在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中被廣泛采用的中繼選 擇協(xié)議。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，EERS能夠在網(wǎng)絡(luò)可靠性、時(shí)延W及能耗上取得很好的平衡。然而， EERS并沒有考慮在人體運(yùn)動(dòng)情況下，各節(jié)點(diǎn)在身體的不同位置，其信道表現(xiàn)相差各異，對(duì)位 置的考慮有助于進(jìn)一步減小網(wǎng)絡(luò)能耗，同時(shí)維持高度可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供一種在人體移動(dòng)情境下，無線體域網(wǎng)中的中繼選擇W及功率控制聯(lián)合 優(yōu)化傳輸方法，旨在于解決原有傳輸協(xié)議中丟包率過高、節(jié)點(diǎn)能耗高等問題。改進(jìn)后的方法 實(shí)現(xiàn)簡單，適用于大多數(shù)運(yùn)動(dòng)場景，滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母叨葻o差錯(cuò)要求，同時(shí)延長了網(wǎng)絡(luò)壽 命。
[0010] 本發(fā)明提供一種基于節(jié)點(diǎn)位置的中繼選擇及功率控制聯(lián)合優(yōu)化方法（joint relay selection and power control scheme,JRP)，其主要思想是將傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)距 離協(xié)調(diào)器的遠(yuǎn)近W及運(yùn)動(dòng)加速度的大小分組，在接收節(jié)點(diǎn)丟包率超過闊值時(shí)，選擇最佳的 中繼節(jié)點(diǎn)W及傳輸功率進(jìn)行調(diào)控。下面從JRP所使用的信道模型、中繼模型W及核屯、算法幾 個(gè)部分介紹。
[0011] 1)信道模型：
[0012] 無線體域網(wǎng)中主要的陰影效應(yīng)是由于人體運(yùn)動(dòng)而造成的慢衰落引起的。為了區(qū)分 無線體域網(wǎng)中無線信道的快衰落和慢衰落，定義信道在當(dāng)前時(shí)刻t下的路徑損耗為：
[0013] G(t)=G〇XS(t)XF(t) (1)
[0014] 在公式（1)中，G(t)表示信道實(shí)時(shí)的路徑損耗值，Go代表信道的平均路損，S(t)和F (t)分別表示慢衰落和快衰落的衰落因子。Go表示的是信道的平均路徑損耗水平，它是一個(gè) 相對(duì)固定的值，不會(huì)隨著時(shí)間有較大的變化。S(t)代表由人體運(yùn)動(dòng)引起的陰影效應(yīng)，它通常 服從正態(tài)(或者對(duì)數(shù)正態(tài))分布。F(t)是快衰落效應(yīng)因子，它通常服從化kagami-m分布，萊斯 或者瑞利分布。
[0015] 由于無線體域網(wǎng)信道的相關(guān)時(shí)間通常很長，大概在5-10毫秒范圍內(nèi)，因此在運(yùn)段 時(shí)間內(nèi)，慢衰落效應(yīng)可W認(rèn)為是相對(duì)平穩(wěn)的。如果計(jì)算信道從時(shí)刻tn到tn+l運(yùn)段時(shí)間內(nèi)的平 均實(shí)時(shí)路損，可W得到一個(gè)短期的信道瞬時(shí)平均路損否而):
[0016] (2)
[0017]運(yùn)[而是一個(gè)隨機(jī)變量，它代表著人體運(yùn)動(dòng)引起的慢衰落的程度。研究結(jié)果表明 召而川g從對(duì)數(shù)指數(shù)分布，可W表示如下：
[001 引
（3)
[0019] 在式(3)中，符號(hào)"S"表示某種特定的場景，包括傳感器的佩戴位置，佩戴者的運(yùn)動(dòng) 姿勢W及運(yùn)動(dòng)形式等各方面因素，Ws,巧^由具體的場景決定。運(yùn)個(gè)結(jié)論表明無線體域網(wǎng)中信 道的慢衰落特性是基于運(yùn)動(dòng)場景的JRP所使用的信道模型是基于上述結(jié)論的。
[0020] 2)中繼模型：
[0021] 本專利所采取的中繼模型如圖1所示，包含一個(gè)源節(jié)點(diǎn)（S)，一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)(R)和一 個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（C)。數(shù)據(jù)包在源節(jié)點(diǎn)S產(chǎn)生，直接W協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)C為目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)送，在運(yùn) 個(gè)過程中，中繼節(jié)點(diǎn)R也會(huì)接收到從S發(fā)出的廣播信號(hào)，此時(shí)R會(huì)將收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給C。 由于本次實(shí)驗(yàn)所使用的傳感器射頻忍片不支持在同一頻段上同時(shí)進(jìn)行收和發(fā)操作，因此， 規(guī)定了一種時(shí)分工作的模式，每次傳輸都將分為兩個(gè)時(shí)隙。在時(shí)隙1，R和C收到S發(fā)出的數(shù)據(jù) 包;在時(shí)隙2,時(shí)尋收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)再轉(zhuǎn)發(fā)給C。因?yàn)闊o線信道的低時(shí)變特性，可W認(rèn)為在兩 個(gè)時(shí)隙的短暫時(shí)間內(nèi)，信道狀態(tài)是穩(wěn)定的。
[00剖定義Gsc，Gsr，Grc分別表示S-C，S-R，R-CS條信道的瞬時(shí)路徑損耗，Ps康示S-C信道 中斷的概率，那么：
[0023] Psc = Pr(Gsc<Gx fl PDR>Pt) (4)
[0024] 其中Gt表示路徑損耗的闊值，Pt表示包接收率的闊值。同樣地，可W為信道S-R和R-C分別定義Psr和扣C表示對(duì)應(yīng)信道中斷的概率，那么從點(diǎn)S到點(diǎn)C的考慮兩跳路由的信道S-R-C中斷的概率Psrc可W用公式表示成：
[0025] Psrc = I-(I-Psr)(I-Prc) (5)
[0026] 公式(5)表示信道S-R和信道R-C至少有一條斷開的概率，基于W上兩條鏈路的中 斷概率，可W計(jì)算出S-C的兩條信道的聯(lián)合中斷概率Psc,SRC:
[0027] Psc, SRC = Psrc X Psc (6)
[0028] 當(dāng)S-C和S-R-C兩條信道同時(shí)中斷的時(shí)候，在兩個(gè)時(shí)隙間的傳輸就會(huì)失敗，在運(yùn)種 情況下，節(jié)點(diǎn)R不再適合作為S和C的中繼節(jié)點(diǎn)了。
[0029] 3) JRP核屯、算法
[0030] 本發(fā)明提出了一個(gè)名為ETPP化xpected Transmission by Path at Power level)的參數(shù)來表示信道在所選的特定鏈路下W特定的傳輸功率發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸代價(jià)。由 于傳輸功率對(duì)信道的表現(xiàn)有著比較大的影響，所W針對(duì)不同階段的鏈路選擇不同的功率等 級(jí)顯得尤為重要，ETPP的計(jì)算公式如下：
[0031] ETPP(S，C)=aXL(S，C)+eXL(S，R)+丫 XL(R，C) (7)
[0032] 在公式(7)中，a，e，y分別代表著鏈路S-C，S-R，R-C的能耗系數(shù)，正比于所對(duì)應(yīng)的 功率等級(jí)，在運(yùn)里選取的是射頻忍片在不同功率下傳輸?shù)乃矔r(shí)電流值，將其歸一化得到 的。日和Y可Pl親TK化下；
[0033]
[0034] 0表示的是S-R信道的功率等級(jí)，根據(jù)上節(jié)的中繼模型，在中繼存在的情形下，郎勺 值應(yīng)該與a相同，在不使用中繼時(shí)，e的值為0,公式表示為
，當(dāng)不使用中 繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，最佳傳輸路徑為信道S-C直接傳輸，此時(shí)0與丫的值均為0。
[0035] 公式(7)中的L(A，B)表示節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B之間的信道狀態(tài)。根據(jù)上節(jié)提出的信道模 型，信道狀態(tài)由信道的平均路損決定，同時(shí)，將包接收率引入考慮范圍也十分重要，在平均 路損確定的情況下，包接收率的大小將直接影響無線信道的可靠性。而由于人體的運(yùn)動(dòng)，不 同位置的傳感器節(jié)點(diǎn)有著不同的運(yùn)動(dòng)趨勢，所W不同節(jié)點(diǎn)位置和各節(jié)點(diǎn)的加速度值都將會(huì) 被考慮來最終確定當(dāng)前信道的狀態(tài)，總結(jié)成公式為：
[0036] (8)
[0037] 在公式(8)中，Wp代表傳感器節(jié)點(diǎn)位置權(quán)重，與節(jié)點(diǎn)A、B之間的距離成正比，GU是 信道的平均路損，它的單位是地;PDR代表包接收率，O 2代表節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度值。
[0038] JRP被設(shè)計(jì)在人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下工作，由于人體不同運(yùn)動(dòng)具有不同的重復(fù)周期，因 此必須使得JRP的工作周期與人體的運(yùn)動(dòng)重復(fù)周期協(xié)調(diào)，才能達(dá)到最佳效果。下文從JRP的 一個(gè)周期開始，按步驟詳細(xì)介紹工作方式。
[0039] 步驟A: JRP的首次調(diào)控需要從信道估計(jì)開始，位于身體各位置的傳感器節(jié)點(diǎn)首先 W允許的各功率等級(jí)發(fā)送信標(biāo)帖到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；
[0040] 步驟B:協(xié)調(diào)器收到來自不同傳感器節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)帖后，從中獲取各自的RSSI值并 將此狀態(tài)包含在應(yīng)答帖中給出回應(yīng)。接下來各傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的應(yīng)答帖計(jì)算出當(dāng)前 的信道狀態(tài)并存儲(chǔ)到內(nèi)存中。然后，各個(gè)節(jié)點(diǎn)開始W根據(jù)公式(7)計(jì)算出的最小ETPP值所對(duì) 應(yīng)的方式來傳輸數(shù)據(jù)包。
[0041] 步驟C:在JRP的工作周期內(nèi)，如果目的節(jié)點(diǎn)的包接收率小于某個(gè)闊值時(shí)，說明當(dāng)前 的信道不滿足可靠傳輸?shù)男枨?，則開始觸發(fā)調(diào)控方法；
[0042] 步驟D:源節(jié)點(diǎn)根據(jù)內(nèi)存中的信道狀態(tài)數(shù)據(jù)重新計(jì)算出各中繼節(jié)點(diǎn)的ETPP值W選 取一個(gè)最佳的傳輸方式，運(yùn)種調(diào)控過程可能會(huì)選取新的中繼節(jié)點(diǎn)，或者增大發(fā)送功率等級(jí)， 或者既改變中繼又改變功率等級(jí)，W最小的ETTP值為準(zhǔn)。
[0043] 步驟E:源節(jié)點(diǎn)確定了調(diào)控后的傳輸方式，按照此方式重新傳送數(shù)據(jù)包；
[0044] 步驟F:當(dāng)丟包率連續(xù)幾個(gè)工作周期持續(xù)偏低時(shí)，可W根據(jù)ETPP的大小決策考慮降 低發(fā)送功率的等級(jí)W節(jié)約能耗，一個(gè)JRP工作周期到此結(jié)束，重復(fù)上述過程直至運(yùn)動(dòng)停止， 整個(gè)過程的流程圖如圖2所示。
[0045] 根據(jù)802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的定義，可靠傳輸?shù)逆溌分袛喔怕什粦?yīng)當(dāng)超過5%，誤包率不應(yīng) 當(dāng)超過10%。針對(duì)W上的限制條件，設(shè)定鏈路的中斷監(jiān)測闊值為5%，低于運(yùn)個(gè)闊值則認(rèn)為 當(dāng)前信道是可靠的。而當(dāng)高于運(yùn)個(gè)闊值，也即信道表現(xiàn)很差時(shí)，則觸發(fā)重新計(jì)算ETPP的過 程，節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)ETPP的值重新選擇中繼節(jié)點(diǎn)和發(fā)送功率等級(jí)。另外，如果信道狀態(tài)一直表現(xiàn) 很穩(wěn)定，考慮到能耗的限制，還要適當(dāng)?shù)娜p小功率等級(jí)。給定一個(gè)ETPP能耗闊值，如果信 道在S個(gè)周期內(nèi)一直保持穩(wěn)定，則判斷當(dāng)前信道的ETPP是否小于運(yùn)個(gè)闊值，如果小于則說 明信道波動(dòng)不明顯，運(yùn)時(shí)應(yīng)減小一級(jí)發(fā)送功率來判斷是否還滿足可靠性傳輸?shù)囊?，從?達(dá)到節(jié)省能耗的目的。
【附圖說明】
[0046] 圖1 JRP的中繼模型圖
[0047] 圖2 JRP工作流程圖
[0048] 圖3實(shí)驗(yàn)所用節(jié)點(diǎn)佩戴示意圖
[0049] 圖4跑步時(shí)單條鏈路RSSI波動(dòng)情況
【具體實(shí)施方式】
[0050] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用W解釋本發(fā)明，并不 用于限定本發(fā)明。
[0化1 ]實(shí)施例：
[0052] 本實(shí)施例是基于如圖3所示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D進(jìn)行說明。本次實(shí)驗(yàn)場地選擇在北京郵 電大學(xué)籃球場進(jìn)行，場地大小適宜，且較為空曠，可W忽略一些外界的干擾因素，認(rèn)為無線 信號(hào)是在自由空間傳播的。實(shí)驗(yàn)者被要求佩戴傳感器節(jié)點(diǎn)在特定位置上，為了使得節(jié)點(diǎn)固 定在身體上，不會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)晃動(dòng)，使用彈力細(xì)帶將節(jié)點(diǎn)綁緊。
[0053] 在佩戴好傳感器節(jié)點(diǎn)之后，為了使實(shí)驗(yàn)者熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，首先進(jìn)行了一個(gè)簡 單的驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)者開始跑步前，只開啟位于腳踩的傳感器節(jié)點(diǎn)使其向胸部的協(xié)調(diào) 器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，其它節(jié)點(diǎn)均處于監(jiān)聽狀態(tài)，然后示意實(shí)驗(yàn)者開始進(jìn)行勻速跑步，正常擺 臂，監(jiān)測協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)RSSI值，可W看出，RSSI值是具有不規(guī)則的波動(dòng)的，運(yùn)和上節(jié)實(shí) 驗(yàn)場景的預(yù)期是一樣的。如圖4所示：
[0化4] 從圖4可W看到，在某些時(shí)刻，RSSI的值已經(jīng)低于-90地m了，小于CC2530的接收靈 敏度，所W協(xié)調(diào)器在此時(shí)不會(huì)接收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，鏈路出現(xiàn)中斷。運(yùn)驗(yàn)證了跑步場 景的選取正確，能夠適于驗(yàn)證JRP的有效性。
[0055] 接下來，分別讓五個(gè)實(shí)驗(yàn)者佩戴著上述實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了五分鐘左右的勻速跑步， 跑步的速率控制在16千米/小時(shí)。運(yùn)五名實(shí)驗(yàn)者的身高不同，范圍在160-185厘米，體重范圍 在45-76公斤。他們均沒有受過專業(yè)的跑步訓(xùn)練，跑步姿勢維持個(gè)人的習(xí)慣。在跑步的同時(shí)， 每個(gè)位置的節(jié)點(diǎn)都會(huì)WlOO毫秒的間隔發(fā)送1000個(gè)16字節(jié)的數(shù)據(jù)包，發(fā)送功率根據(jù)JRP的調(diào) 控動(dòng)態(tài)的改變，記錄協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的丟包情況。
[0056] 為了監(jiān)測JRP的工作情況，從單個(gè)實(shí)驗(yàn)者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中找出某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)做分 析，W腳踩位置的節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)為例，監(jiān)測了它中繼選擇和功率控制的計(jì)算細(xì)節(jié)。表1給 出了其它各節(jié)點(diǎn)可能的ETPP值W及對(duì)應(yīng)的功率等級(jí)。
[0057] 表1各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能的ETPP值及對(duì)應(yīng)的功率等級(jí)
[0化引
[0059] 每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)中繼時(shí)，都會(huì)對(duì)應(yīng)一組功率等級(jí)，其中S-R鏈路代表的是從源節(jié) 點(diǎn)到中繼節(jié)點(diǎn)，R-C鏈路代表的是從中繼節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。JRP計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為中繼 節(jié)點(diǎn)時(shí)的最小ETPP值，同時(shí)會(huì)得到對(duì)應(yīng)鏈路的功率等級(jí)，隨后JRP選擇其中最小的ETPP值作 為最佳的目標(biāo)中繼節(jié)點(diǎn)。表1中可W看出，當(dāng)腳踩作為源節(jié)點(diǎn)向位于胸部的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)時(shí)， 最佳的中繼位置為ETPP值最小的腰部節(jié)點(diǎn)，其值僅為143.70,其次的是大腿，ETPP值為 158.32, W此類推。由此，可W根據(jù)JRP的算法得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)時(shí)，其可能中繼節(jié)點(diǎn) 的排序，見表2，其中的"無"表示不需要中繼，直接傳輸為最佳方式。
[0060] 表2最佳目標(biāo)中繼節(jié)點(diǎn)列表
[0061]
[0062]由表2可W得出每個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的最佳中繼選擇，排在最前的即為所需ETPP最小的 節(jié)點(diǎn)位置，查詢此節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率等級(jí)并按此等級(jí)發(fā)送，便完成了一次JRP的調(diào)控過程。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于節(jié)點(diǎn)位置的中繼選擇及功率控制聯(lián)合優(yōu)化機(jī)制，其特征是主要過程包括： A. 位于身體各部位的傳感器以各功率等級(jí)發(fā)送信標(biāo)幀到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)； B. 協(xié)調(diào)器給出應(yīng)答幀，其中包含對(duì)應(yīng)功率等級(jí)的信道狀態(tài)； C. 在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測丟包率情況，當(dāng)丟包率低于閾值時(shí)，進(jìn)行調(diào)控； D. 根據(jù)調(diào)控方法的算法(JRP)，計(jì)算出最優(yōu)發(fā)送路徑以及對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率等級(jí)(ETPP)， 從而確定出目標(biāo)中繼節(jié)點(diǎn)； E. 傳感器節(jié)點(diǎn)按照調(diào)控后的發(fā)送參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，重復(fù)上述過程； F. 如果當(dāng)前鏈路的丟包率在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)維持很低的狀態(tài)，則說明信道狀態(tài)良好，考 慮降低發(fā)送等級(jí)以節(jié)省電量，降低功率的算法參考ETPP的計(jì)算值。2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在無線體域網(wǎng)傳輸機(jī)制中，采用功率控制機(jī) 制和中繼選擇機(jī)制聯(lián)合調(diào)控保證通信鏈路的可靠性，傳感器節(jié)點(diǎn)按照根據(jù)當(dāng)前鏈路狀態(tài)計(jì) 算出應(yīng)該采用調(diào)控方式，從而提高鏈路可靠性。3. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，在整個(gè)調(diào)控方法中，突出考慮了節(jié)點(diǎn)位置對(duì)可 靠性的影響，針對(duì)不同位置的傳感器節(jié)點(diǎn)信道狀態(tài)不同，其所計(jì)算出的中繼節(jié)點(diǎn)以及對(duì)應(yīng) 的發(fā)送功率等級(jí)不同，中繼節(jié)點(diǎn)的選擇與傳感器節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器的距離以及節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況 有關(guān)。4. 如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于，傳感器節(jié)點(diǎn)采用JRP算法計(jì)算出目標(biāo)中繼節(jié)點(diǎn) 以及對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率等級(jí)，JRP的核心思想是比較當(dāng)前節(jié)點(diǎn)向各鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)所消耗 的能量以及對(duì)應(yīng)的丟包率情況，綜合衡量后選擇最適于進(jìn)行中繼傳輸且能量消耗不高于平 均能耗的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)。5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，JRP算法中的ETPP參數(shù)綜合考慮了節(jié)點(diǎn)位置、 當(dāng)前信道狀態(tài)以及節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，并且針對(duì)不同的發(fā)送功率等級(jí)做出了能耗估計(jì)，全面 地衡量了在人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，信道可能面臨的各種影響因素。6. 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，調(diào)控方法不是傳統(tǒng)意義上的單純?cè)黾影l(fā)送功率 以提高傳輸可靠性，而是通過ETPP的值自適應(yīng)地去增加或降低發(fā)送功率，當(dāng)鏈路質(zhì)量較好 的時(shí)候，JRP會(huì)主動(dòng)根據(jù)情況減小發(fā)送功率，以達(dá)到降低節(jié)點(diǎn)能耗的目的。
【文檔編號(hào)】H04W52/02GK105848243SQ201610122565
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月4日
【發(fā)明人】孫詠梅, 崔健, 紀(jì)越峰
【申請(qǐng)人】北京郵電大學(xué)