基于网络生存期最大化的体域网资源联合优化调度方法

摘要

本发明公开了一种基于网络生存期最大化的体域网资源联合优化调度方法，属于无线体域网资源调度技术领域。该方法具体包括：体域网中拟进行信息传输的各节点发送业务请求消息至协调器，协调器基于网络生存期最大化准则统一优化调度网络及节点资源，确定各节点信息传输模式为直传或中继协作，为采用协作传输模式的节点优化选择中继节点，并为各源节点及协作节点优化分配发送时隙及传输功率。该方法综合考虑各节点业务特性及网络时隙资源利用率，基于网络生存期最大化准则为各节点优化分配发送时隙及功率，并为需要采用中继协作的节点优化选择协作中继节点，进而实现了网络生存期最大化。

说明书

技术领域

本发明属于无线体域网资源调度技术领域，涉及一种基于网络生存期最大化的体域网资 源联合优化调度方法。

背景技术

无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)是一种以人体为中心，由若干个无线传 感器节点和一个或多个协调器构成的网络，能够通过置于人体周围或人体内部的各种传感器 节点对人体的一些重要生理参数进行感知和采集，继而通过无线及有线方式发送至远端服务 器，实现对人体健康状态的有效监控。WBAN因其携带便捷、易于数据交互管理，近年来受 到广泛关注，已被应用于军事、娱乐、消费电子、智能家居、公共服务、尤其是医疗保健等 领域。

WBAN应用中各节点电池充电或节点替换较为困难，若节点因信息感知、传输、存储致 使能量消耗殆尽将导致节点无法正常工作，影响网络连通性及数据传输性能，进而导致网络 生存时间减少。因此，如何尽可能减少节点能耗，延长WBAN生存时间是WBAN的重要研 究课题。

目前已有研究考虑通过减少节点能耗实现WBAN生存时间延长。例如有人提出了一种临 时节点调度机制，以延长网络生存时间的方法，其核心思想是引入临时节点，通过调用临时 节点的能量平衡网络节点能量消耗，以延长网络生存期。也有人提出了使用协作传输机制延 长网络生存期的方法，若某个节点检测到其剩余能量低于能量门限值时，将向网络协调器发 送中继请求消息，网络协调器为该节点选择中继协作节点，以减少源节点能量消耗，进而实 现网络生存期优化。文献On Energy Efficiency of CooperativeCommunications in Wireless Body  Area Networks，IEEE WCNC2011,XigangHuang,HangguanShan,andXuemin(Sherman)Shen， 提出一种基于节点协作传输的WBAN功率优化分配方案，通过优化节点能耗，实现网络生存 期最大化。

现有研究较为孤立地考虑节点协作传输优化或节点功率分配机制，未综合考虑节点传输 机制、功率分配及网络资源利用率，难以兼顾用户QoS保障及网络资源的联合优化，无法实 现网络整体性能优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于网络生存期最大化的体域网资源联合优化调 度方法，该方法综合考虑节点协作机制、节点功率分配及网络时隙资源调度，基于网络生存 期优化准则实现多因素的联合优化，在保证网络生存期最大化的同时实现网络资源高效利用 及用户QoS保障。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于网络生存期最大化的体域网资源联合优化调度方法，在本方法中，体域网中各 节点以帧为单位进行业务请求及信息传输，各帧传输时间划分为业务请求阶段和信息传输阶 段；在业务请求阶段，各节点以CSMA方式接入信道，向协调器发送业务请求，协调器统一 优化调度网络及节点资源，包括节点传输时隙、发送功率、中继节点；确定各节点信息传输 模式、中继选择方案及功率、时隙分配策略，从而实现网络生存期的最大化及节点服务质量 （QoS）保障。

进一步，协调器基于网络生存期最大化准则为各发送节点优化选择传输机制，各源节点 采用直传或中继协作方式之一进行通信，定义优化变量i＝1,2,…,N，其中，N为 网络中节点总数，表示节点i与协调器之间采用直传模式进行信息传输，表示节 点i采用中继协作模式传输信息至协调器；协调器为各源节点优化确定对应节点最佳传 输模式。

进一步，协调器为各源节点及中继协作节点优化分配传输时隙，若节点i采用直传模式， 定义源节点时隙分配标识表示节点i在τ时隙采用直传方式传输数据至协 调器；若源节点i采用中继协作传输模式，定义该节点中继选择及时隙分配标识表示节点i在τ时隙通过中继节点j传输数据至协调器；定义中继节点时隙分配标识 表示中继节点j在τ时隙为节点i转发数据至协调器；假设每条直传链路 及对应同一源节点的协作链路最多分配一个时隙，每个时隙各节点最多使用一条链路进行信 息发送/接收，各源节点最多采用一个中继节点进行协作传输，另外，根据信息协作传输要求， 某源节点发送至中继节点的时隙应位于其中继时隙之前，则应满足 ${\Sigma }_{i=1}^N{\delta }_{i,\tau }^D\le 1,{\Sigma }_{i=1,i\ne j}^N{\delta }_{i,j,\tau }^s\le 1,$τ＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N，及${\Sigma }_{\tau =1}^M{\delta }_{i,\tau }^D\le 1,{\Sigma }_{\tau =1}^M{\delta }_{i,j,\tau }^s\le 1,$${\Sigma }_{\tau =1}^M{\delta }_{i,j,\tau }^r\le 1,0\le {\Sigma }_{\tau =1}^k{\delta }_{i,j,\tau }^s-{\Sigma }_{\tau =k+1}^M{\delta }_{i,j,\tau }^r\le 1,$k＝1,2,…,M-1，i,j＝1,2,…,N,i≠j，M为 各帧总时隙数。

进一步，建模网络生存期最大化问题为各帧内节点剩余能量最大化问题，定义网络生存 时间T^Life为所有节点中生存时间最短的节点对应的生存时间，即i＝1,2,…N，其中，为体域网中节点i的生存时间；定义为节点i工作至剩余能量低 于特定门限值的时间，即所对应的时段，其中，为节点i的剩余能量，为节 点i剩余能量门限值；假设某帧初始阶段，节点i的初始能量为该帧节点i所消耗能量为 其剩余能量可由描述，由此，网络生存期最大化问题等效于剩余能量 最少节点的能量最大化问题。

进一步，建模节点i的消耗能量，其中，为节点i传输自身业务所需消 耗的能量，根据采用直传或协作传输机制，表示为：其中，为源节点i采用直传模式传输数据至协调器所需消耗的能量，可由节点传输功率及传输时隙长 度表征，即其中，表示源节点i在时隙τ采用直传模式传输数据至协调 器所需消耗的功率，T⁰为各时隙长度；为源节点i采用中继协作方式传输数据至协调器所 需消耗的能量，其中，表示源节点i在时隙τ以节点j作为中继 节点传输数据所需消耗的功率；对应节点i作为中继节点为其它节点进行协作传输所需消 耗的能量，即：其中，为中继节点i在时隙τ为节点j进行中继传 输数据所需消耗的功率。

进一步，协调器根据各节点吞吐量业务需求确定传输功率限定条件；假设体域网链路带 宽为B，节点i的最小吞吐量需求为若节点i采用直传模式，对应吞吐量为应用 香农公式可得源节点i至协调器链路的吞吐量为：

${T_i}^D=\underset{\tau =1}{\overset{M}{\Sigma }}{\delta }_{i,\tau }^{D}B{\log }_2(1+\frac{p_{i,\tau }^D{h}_i^D}{\underset{\underset{i_1\ne 1}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j\ne i,i_1}{j=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j,\tau }^s{p}_{i_1,j,\tau }^s{h}_{i_1}^D+{\left({\sigma }_i^D\right)}^2})$其中，分别为源 节点i至协调器链路的信道增益及接收端噪声功率，i＝1,2,…,N；若节点i采用中继协作 传输模式，则源节点i至中继节点j的链路吞吐量为：

$T_{i,j}^s=\underset{\tau =1}{\overset{M}{\Sigma }}{\delta }_{i,j,\tau }^{s}B{\log }_2(1+\frac{p_{i,j,\tau }^s{h}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\underset{i_1\ne i,j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j_1\ne i,i_1,j}{j_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j_1,\tau }^s{p}_{i_1,j_1,\tau }^s{h}_{i_{1}j}+\underset{\underset{i_1\ne i,j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,\tau }^D{p}_{i_1,\tau }^D{h}_{i_{1}j}+\underset{\underset{i_1\ne i,j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j_1\ne i,i_1,j}{j=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j_1}^r{p}_{i_1,j_1}^r{h}_{j_{1}j}+{\left({\sigma }_{i,j}\right)}^2})$其中，h_ij， (σ_i,j)²为源节点i到中继节点j链路的信道增益和接收端噪声功率；定义中继节点j到协 调器链路的吞吐量为：

$T_{i,j}^r=\underset{\tau =1}{\overset{M}{\Sigma }}{\delta }_{i,j,\tau }^{r}B{\log }_2(1+\frac{p_{i,j,\tau }^r{h}_j^D}{\underset{\underset{i_1\ne j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j_1\ne j,i_1}{j_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j_1,\tau }^s{p}_{i_1,j_1,\tau }^s{h}_{i_{1}j}+{\left({\sigma }_{i,j}\right)}^2})$因此当节点i采用中继传输模式整个 链路的吞吐量为：根据节点业务吞吐量需求，即及可 得节点i传输功率限定条件。

进一步，协调器在各帧初始阶段，统一优化分配网络及节点资源，确定各节点传输模式， 源节点及中继节点的传输时隙及发送功率资源，并为采用中继协作传输模式的源节点选择最 优中继，以实现该帧内各节点剩余能量最大化，对应网络生存期最大化；定义节点i的优化向 量为i＝1,2,…,N，其中，节点i在τ时隙的优化向量，τ＝1,2,…,T， j＝1,2,…,N，给定吞吐量条件求解网络生存时间最大化问题，可得：

$(x_1^{*},x_2^{*},...x_N^{*})=\arg \max T^{\mathrm{Life}}=\underset{x_1,x_2,...,x_{N-1},x_N}{\arg \max }\underset{i=\mathrm{1,2},...,N-1,N}{\min }(E_i^{\mathrm{Ini}}-E_i^{\mathrm{Con}}),$对应节点最优资源分配策略。

本发明的有益效果在于：本发明所述的基于网络生存期最大化的体域网资源联合优化调 度方法综合考虑各节点业务特性及网络时隙资源利用率，基于网络生存期最大化准则为各节 点优化分配发送时隙及功率，并为需要采用中继协作的节点优化选择协作中继节点，进而实 现网络生存期最大化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为无线体域网的网络场景示意图；

图2为本发明所述方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为无线体域网的网络场景示意图，体域网由若干个传感器节点和一个协调器构成的， 协调器负责集中式调度和管理各节点时隙和功率的分配。

图2为本发明提出的基于资源联合优化调度的体域网生存期最大化方法的流程示意图， 如图所示：本方法的具体步骤为：

201：各节点向协调器发送业务请求消息

体域网中各节点以帧为单位进行业务请求及信息传输，业务请求阶段，各节点以CSMA 方式接入信道，向协调器发送业务请求消息。

202：定义节点传输模式优化变量

协调器定义节点传输模式优化变量i＝1,2,…,N，其中N为网络中节点总数， 表示节点i与协调器之间采用直传模式进行信息传输，表示节点i采用中继协作 模式传输信息至协调器。

203：定义源节点及中继节点时隙分配标识

若节点i采用直传模式，定义源节点时隙分配标识表示节点i在τ时隙 采用直传方式传输数据至协调器。若节点i采用中继协作传输模式，定义该源节点中继选择及 时隙分配标识表示节点i在τ时隙通过中继节点j传输数据至协调器；定 义中继节点时隙分配标识表示中继节点j在τ时隙为节点i转发数据至协 调器。假设每条直传链路及对应同一源节点的协作链路最多分配一个时隙，每个时隙各节点 最多使用一条链路进行传输发送/接收，各源节点最多采用一个中继节点进行协作传输，某源 节点发送至中继节点的时隙应位于其中继时隙之前，则应满足${\Sigma }_{i=1}^N{\delta }_{i,\tau }^D\le 1,$${\Sigma }_{i=1,i\ne j}^N{\delta }_{i,j,\tau }^s\le 1,$τ＝1,2,…,M，j＝1,2,…,N，及${\Sigma }_{\tau =1}^M{\delta }_{i,\tau }^D\le 1,{\Sigma }_{\tau =1}^M{\delta }_{i,j,\tau }^s\le 1,{\Sigma }_{\tau =1}^M{\delta }_{i,j,\tau }^r\le 1,$$0\le {\Sigma }_{\tau =1}^k{\delta }_{i,j,\tau }^s-{\Sigma }_{\tau =k+1}^M{\delta }_{i,j,\tau }^r\le 1,$k＝1,2,…,M-1，i,j＝1,2,…,N,i≠j，M为各帧总时隙数。

204：网络生存期优化问题建模

定义体域网网络生存时间T^Life为所有节点中生存时间最短的节点对应生存时间，即 i＝1,2,…,N，其中，为体域网中节点i的生存时间。协调器基于T^Life最 大化实现网络生存期最大化，即优化目标为：定义为节点i工作 至剩余能量低于特定门限值，即所对应的时段，其中，为节点i的剩余能量，为该节点能量门限值。假设某帧初始阶段，节点i的初始能量该帧节点i所消耗能量为 其剩余能量可由描述。因此，网络生存期最大化问题等效于最大化能 量最少节点的剩余能量问题，即：$T^{\mathrm{Life}}=\max \left(\min \left({T_i}^{\mathrm{Life}}\right)\right)=\max \left(\min (E_i^{\mathrm{Ini}}-E_i^{\mathrm{Con}})\right),$其中， i＝1,2,…,N。

体域网中各传输帧内节点消耗能量可以表达为i＝1,2,…,N。根据采 用直传或协作传输机制，可以表示为：其中，为源节点i采 用直传模式传输数据至协调器所需消耗的能量，可由传输功率及传输时间表征，即 其中，表示源节点i在时隙τ采用直传模式传输数据至协调器所需消耗 的功率，T⁰为各时隙长。为源节点i采用中继协作方式传输数据至协调器所需消耗的能量， 即其中，表示源节点i在时隙τ以节点j作为中继传输数据所需 消耗的功率。对应节点i作为中继节点为其它节点进行协作传输所需消耗的能量，即： 其中，为中继节点i在时隙τ为节点j进行中继传输数据所需消耗 的功率。

205：节点吞吐量限定条件

协调器根据节点的吞吐量业务需求为各节点确定相应的功率限定条件，从而为需要采用 中继协作的节点优化选择协作中继节点，假设体域网链路带宽为B，节点i的最小吞吐量需 求为

若节点i采用直传模式，对应吞吐量为调用香农公式可得源节点i至协调器链路的 吞吐量为：${T_i}^D=\underset{\tau =1}{\overset{M}{\Sigma }}{\delta }_{i,\tau }^{D}B{\log }_2(1+\frac{p_{i,\tau }^D{h}_i^D}{\underset{\underset{i_1\ne 1}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j\ne i,i_1}{j=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j,\tau }^s{p}_{i_1,j,\tau }^s{h}_{i_1}^D+{\left({\sigma }_i^D\right)}^2})$，其中，分别为源节 点i到协调器链路的信道增益及接收端噪声功率。

若节点i采用中继协作传输模式，则源节点i至中继节点j的链路的吞吐量为：

$T_{i,j}^s=\underset{\tau =1}{\overset{M}{\Sigma }}{\delta }_{i,j,\tau }^{s}B{\log }_2(1+\frac{p_{i,j,\tau }^s{h}_{\mathrm{ij}}}{\underset{\underset{i_1\ne i,j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j_1\ne i,i_1,j}{j_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j_1,\tau }^s{p}_{i_1,j_1,\tau }^s{h}_{i_{1}j}+\underset{\underset{i_1\ne i,j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,\tau }^D{p}_{i_1,\tau }^D{h}_{i_{1}j}+\underset{\underset{i_1\ne i,j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j_1\ne i,i_1,j}{j=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j_1}^r{p}_{i_1,j_1}^r{h}_{j_{1}j}+{\left({\sigma }_{i,j}\right)}^2})$，其中，h_ij， (σ_i,j)²为源节点i到中继节点j链路的信道增益和接收端噪声功率。定义中继节点j到协调器 链路的吞吐量为：$T_{i,j}^r=\underset{\tau =1}{\overset{M}{\Sigma }}{\delta }_{i,j,\tau }^{r}B{\log }_2(1+\frac{p_{i,j,\tau }^r{h}_j^D}{\underset{\underset{i_1\ne j}{i_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{\underset{j_1\ne j,i_1}{j_1=1}}{\overset{N}{\Sigma }}{\delta }_{i_1,j_1,\tau }^s{p}_{i_1,j_1,\tau }^s{h}_{i_{1}j}+{\left({\sigma }_{i,j}\right)}^2})$，因此当节点i采用中继 传输模式整个链路的吞吐量为：

基于节点业务吞吐量需求，即及可得节点i传输功率限定条件。

206：求解优化问题，对应最佳资源分配策略

协调器在各帧初始阶段，统一优化分配网络及节点资源，确定各节点传输模式，源节点 及中继节点的传输时隙及发送功率资源，并为采用中继协作传输模式的源节点选择最优中继。 定义节点i的优化向量为i＝1,2,…,N，其中，节点i在τ时隙的优化 向量$x_{i,\tau }=({\delta }_{i,1,\tau }^s,...,{\delta }_{i,N,\tau }^s{\delta }_{1,i,\tau }^r,...,{\delta }_{N,i,\tau }^r,p_{i,\tau }^D,p_{i,1,\tau }^s,...,p_{i,N,\tau }^s,p_{1,i,\tau }^r,...,p_{N,i,\tau }^r),$τ＝1,2,…,T， j＝1,2,…,N，给定吞吐量条件求解网络生存时间最大化问题，可得最优 $(x_1^{*},x_2^{*},...x_N^{*})=\arg \max T^{\mathrm{Life}}=\underset{x_1,x_2,...,x_{N-1},x_N}{\arg \max }\underset{i=\mathrm{1,2},...,N-1,N}{\min }(E_i^{\mathrm{Ini}}-E_i^{\mathrm{Con}}),$对应节点最优资源分配策略。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述 优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和 细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。