联合时间切换和传输调度Wireless-Powered身体区域网络

文摘

舾装人类对身体/机身传感器节点,无线身体区域网络(WBANs)定位的关键技术,以提高未来的远程医疗服务。新出现的无线电力传输(WPT)和能量收获(EH)技术提供了一个潜在的WBANs连续供电。由于射频(RF)信号可以携带能量以及信息同时,WPT切换的时间阶段和无线信息传输(智慧)阶段应该是经过精心安排的。通过考虑一个远程医疗应用程序场景(多个患者共处在一个病房,他们每个人都是由多个传感器节点监测),本文提出了分配的占空比WPT的传输时间和智慧阶段和进度机智链接在一份联合的方式。首先,框架结构的同步信息和权力转移time-and-spectrum域(SWIPT)设计。目的是满足最低比率的要求所有的传感器节点,WPT阶段的最佳时间和最佳的传输时间的智慧共同发现的链接是利用凸优化技术。最后,研制了一种快速算法搜索最优解,引入一个录取控制。仿真结果表明,该算法可以有效地利用广播射频能量辐射的性质。如果网络负载低于一定水平控制,所有的传感器节点的速率要求网络能满足。

1。介绍

身体的无线区域网络(WBAN) [1)是一个关键技术,使信息沟通在下一代成规远程医疗。病人配备可穿戴、小型化和低功耗无线传感器节点。身体区域信息,如身体生命体征,人类动作,和周围环境状况可以测量和无线远程医疗提供者或无缝集成与病人的医疗记录没有打断他们的正常活动2]。各种无线网络技术和通信协议,如内部IEEE 802.15.4(提供服务3),无线个域网(4),蓝牙低能量(祝福)5),和wi - fi (6)被设计为短程WBANs的选项。尽管改进,两大内在WBANs挑战仍然存在,即(1)缺乏环境信息相关的生理数据(可以介绍感应认知困难甚至是偏见),(2)电池寿命瓶颈发生的可穿戴设备扩散(2]。

在传统电池WBANs,传感器节点只有有限的电池容量和不便甚至不可能充电或更换电池(7]。更具挑战性的是履行的服务质量(QoS) WBANs(如数据率、延迟和可靠性)应保证对信道衰落引起的能量吸收,身体运动,多路径由于人体的周围环境8]。尽管技术进步,WBANs连续供电的问题仍然没有解决。然而,近年来,一种新兴无线电力传输(WPT)和能量收获(EH)技术驱动对身体/机身传感器节点成为一个有前途的解决这个问题(9]。嗯,各种方法之间的专用无线电频率(RF)能源不依赖于自然,如风能、振动,和太阳;因此,他们更希望室内并比其他能源的目的。与权力灯塔(PBs) [10)故意部署到广播射频能量,住房电路获取传感器节点射频能量可以接收和利用能源支持解码和传输电路。无穷无尽的但不可靠的射频能量源变化的可用性的网络设计师的选项。特别是,射频信号可以同时携带能量以及信息(称为同步信息和权力交接(SWIPT)), WPT链接和智慧链接之间的切换时间应该仔细计划(11]。

在本文中,我们提出一个资源分配计划安排的占空比WPT联合的方式和智慧联系。特别,我们研究一个典型的e-healthcare应用程序的场景,其中多个患者共处在一个病房,他们每个人都是由多个传感器节点监测。网络QoS提供(在每个传感器节点的最低传输速率)是强调。使用一个集中的算法框架,WPT的最佳时间切换策略和智慧链接和传感器节点的最优传输调度策略都获得。应该注意的是,wireless-powered禁令的建议的解决方案也可以应用于多种应用场景。例如,它可以部署在一个运动场和体育馆,因此,可以监测运动员的基本数据分析和解释,风险,健康、培训、医疗、测试和性能在任何地方任何时候。总结了本文的主要贡献如下:(1)一个集成的数据和能源框架结构(在time-and-spectrum域)SWIPT-based多用户WBANs提出(2)承诺满足最低比率的要求下的所有对身体/机身传感器节点,最优责任时间WPT链接和智慧的最优传输时间链接是共同发现利用凸优化技术(3)通过引入一个接纳控制机制,提出了一种快速算法搜索最优解的联合WPT和机智调度问题

本文的其余部分组织如下。综述了相关的工作2。部分3给出了系统模型。节4,调查WBAN SWIPT流程系统。节5,我们制定的QoS保证时间切换和传输调度优化问题,问题是解决了利用凸优化技术。数值结果提供了部分6。最后,部分7本文总结道。

2。相关的工作

WBANs部署不断监测人的健康状况和行动模式有广泛使用小型由于技术进步,轻量级,超低功耗,和聪明的可穿戴设备。监测发生周期性的方式,这就需要为应用程序的数据上传,而相对稳定的利率的延迟可以利用在可靠性和能源消耗。电池充电或更换是困难的无线传感器节点,节能最大化的寿命电池WBANs至关重要。需要设计合适的资源分配和介质访问控制(MAC)机制来提供更高的网络容量,延长网络的生命周期,和足够的QoS (8]。

目的是提高能源效率,大量的设计了通用的无线传感器网络MAC协议(网络),和大多数的特殊WBANs MAC协议是传感器网络MAC协议扩展。例如,为了支持高流量和低延迟,级联控制与分布式的访问信息检索的槽作业(蝉)协议是开发的12],它可以立即传送数据,而不是在本地缓冲它们。蝉是一种低能消费协议继承S-MAC [13]。利用心跳节奏信息实现时间同步,tdma MAC协议是专为WBANs (14]。传感器节点是由严格的执行时间同步启用心跳的节奏,而不是依靠收音机组件从一个中央控制器接收周期时间信息。因此,可以很大程度上减少能源消耗,可以大大延长网络的生命周期。一般来说,WBANs的MAC协议分为两种类型:(1)contention-based CSMA / CA协议和(2)基于时间表TDMA协议。在contention-based协议(15,16),分布式传感器节点使用CSMA / CA分享共同的通道,可能导致大量的数据包碰撞和能源消耗。在基于时间表TDMA协议(7,15,16),一个集中控制器需要时间同步;因此,可以将传感器节点传输数据在自己的时段。避免数据包的碰撞,减少了能源消耗。

在电池供电的WBANs、充电或更换电池大量的传感器是一个不可避免的难题。收获从环境和射频能量将它转换为可用的电能可以提供一个连续供电的无线传感器节点。在裁判。17),作者试图最大化共同所有无线节点的吞吐量SWIPT网络用一个射频源。在裁判。18),射频源的放置在无线节点的位置进行了优化。在裁判。19),基于确定性以及随机能量收获模型,作者在WBANs如何最大化数据吞吐量进行调查。在裁判。20.),作者提出了一个能量分配冲水方法,实现最优性能的水位能源假设一个楼梯的模式。在裁判。21),作者认为一块随机呃模型并最大化系统吞吐量。使用有效的动态规划和凸优化方法,可以获得功率分配的最优解。

关于wireless-powered WBANs,作者在裁判。22]研究点对点通信方案,目标最大化吞吐量的数据从一个传感器节点的接入点(AP)上行。主要的方法是平衡命令之间的时间转移阶段,WPT阶段,机智的阶段。在裁判。23),作者研究wireless-powered WBAN帮助继电器。继电器可以获取其他节点发送的射频能量,然后可以使用收获的能量来帮助信息转发到目的地。上述研究[22,23)只考虑的点对点通信链路wireless-powered WBANs。在裁判。24),作者提出一个共同的能源的方法,目的是平衡传感器节点的平均能量收获WPT阶段。然而,只有单用户情况下,只有一个病人有多个在/身体传感器网络中的节点。此外,在WBANs QoS的条文是至关重要的问题没有处理上述研究[22- - - - - -24]。

不同于之前的研究(22- - - - - -24),我们考虑一个更实际的WBAN,多个患者共处在一个病房,他们每个人都是由多个传感器节点监测。此外,我们强调QoS提供(在最低传输速率)wireless-powered传感器节点。作为我们研究的第一步,该算法开发和评价是本文的主要目标。实现该算法的问题在当前WBAN协议以及携带实验可用WPT呃硬件和软件去激励我们的未来的工作。

3所示。系统模型

随着医疗传感设备的发展,WBANs理想地适合e-healthcare应用程序。可以戴在传感器节点或植入患者体内,从而允许对实时数据采集和信息融合和报告。然而,有限的传感器节点的电池容量达到网络的瓶颈。不便甚至不可能充电或更换电池的无线传感器节点虽然他们由超低功耗无线通信功能。WPT的到来,呃技术可能突破能源约束,尤其是在室内设置(如在医院病房),可靠的射频能量源可以不断射频能量转移到传感器节点。因此,在本文中,我们调查相关问题利用wireless-powered WBANs室内环境如图1。

认为医院病房l米长,W米宽,H米的高度。有K患者个体手术与持续的健康监测。WBAN特性一个接入点(AP)互联网网关(这可以从传感器节点收集信息并将信息转发到远程医疗应用程序或系统数据库)和一组的米电源信号灯(PBs)的射频能量来源。美联社和PBs安装在天花板的病房和连接电线。我们假设有一组的K每个病人在病房,kth ( )病人由一组监控的传感器节点。为了减少交通和能源成本,WBAN被组织为一个两跳无线网络传感器节点分组到多个集群。与一个特定的病人相关的传感器节点形成一个独立的集群。在每一个kth集群,一个完整的功能设备(FFD) (13)被指定为集群头(CH)和其他传感器节点被视为减少功能设备(RFD) [13的集群。(一般,系统网络是集群动态和CHs相应更新(25]。然而,在WBAN网络集群根据人体的域和CHs是预定义的设备与强大的计算和通信能力。虽然CH可以由可充电电池供电,本文假定CHs以及正常的传感器节点都是由收获射频能量。应该注意的是,CHs有同样的感应能力正常的传感器节点。例如,他们可以使用加速度计和陀螺仪的运动感应人体的一部分并注册并报告对象的运动。CHs和正常的传感器节点之间的差异只是从数据通信和处理的角度来看)。普通的传感器节点可以检测特定病人的生命体征,然后传输信息CH。CH,传感环境之外,还负责收集来自正常的传感器节点的信息并将信息转发给美联社(当时医疗服务应用程序)。不失一般性,我们标签的CHkth集群的和其他普通的传感器节点在同一集群 。

在研究wireless-powered WBAN,存在两种类型的链接,即。,the WPT links (from the PBs to the sensor nodes) and the WIT links (from the normal sensor nodes to the CHs and from the CHs to the AP). In order to save the scarce spectrum resource, we assume that the WPT links and the WIT links operate on the common frequency-band with bandwidth size ofB赫兹。资源分配的单位(在time-and-spectrum域)在考虑网络图所示2,这称为作为一个资源块(RB)。为了简化分析,我们有规范化的RB的持续时间。

表示的瞬时信道增益米th PB的我传感器节点kth集群的 ,的瞬时信道增益我th正常CH(在相同的传感器节点kth集群) ,和CH的瞬时信道增益的美联社 。所有的频道WBAN认为是准静态平坦衰落。这意味着 , ,和保持不变在RB但可以改变从一个RB到另一个地方。

4所示。能源和信息传递机制

根据上述系统设置,设计SWIPT机制wireless-powered WBAN由以下三个连续的阶段:WPT阶段PBs(无线电力传输的传感器节点),第一个智慧阶段(无线信息传递从正常的传感器节点CHs),第二个机智阶段(无线信息传递从CHs美联社)。描述的细节是如下。

4.1。WPT阶段

由于收获在接收机射频能量的可加性(26),总射频能量收获来自多个PBs是每个嗯节点的添加剂。的米PBs资源调度中心在此阶段计划(RSC)同时辐射射频能量在常见的频带。表示这个阶段的持续时间 ,和表示的呃效率我传感器节点kth集群的 。射频能量收获的数量可以由一个传感器节点 的因素是总射频能量接收到传感器节点之前将它转换成电能。

4.2。第一个智慧相

在WPT阶段,传感器节点补充能量。然后,在第一个智慧阶段,正常的传感器节点在每个集群可以探测到的信息传输到附属CH。

通过使用TDMA技术,智慧第一阶段切块Knonoverlapped间隔,然后由RSC的分配K集群。因此,严重intercluster和星团内干预可以有效地避免。注意,这些K间隔通常是不平等的,我们标签的 ,分别。的CHkth集群然后可以通过分配进行二次分配时间我正常的传感器节点为智慧。因此,我们有以下的限制:

它假定harvest-then-transmit (HT)协议(15)网络中采用。因此,每个传感器节点将使用一个固定的部分射频能量收获的智慧。结果,平均在一个传感器节点是由传动功率 的因素是通过一个传感器节点的射频能量收获总量的米PBs。

由于智慧一般传感器节点相关的CH,给出了可行的数据速率 在哪里加性高斯白噪声的方差(AWGN)接收机。

4.3。第二个智慧相

到目前为止,每个集群的CH已经获得了相关的普通传感器节点的感知信息。然后,在2^nd智慧阶段,KCHs可以上传自己接收到的信息以及信息美联社。为了便于分析,我们认为数据压缩和信息融合应用CHs。表示传输时间分配的RSC的CHkth集群的 。平均传动功率的CH可以

由于的智慧kth CH美联社,给出可行的数据速率

5。问题公式化

医疗和传感技术的快速发展,各种各样的医疗传感器制造不同的健康监测的目的。本文不涉及任何特定的健康监测应用程序,但集中于会议应用程序的实时要求。为此,我们定义一个传感器节点的最低速度要求位/ RB (和 )和总传输时间的分配kth集群(包括CH和正常的传感器节点集群中)

本文的目的是利用可用的时间和频率资源和协助网络最大化的总数接受集群实时要求的条件,所有的传感器节点感到满意。在数学上,这个问题建模为

在约束(8.1),因素代表了可实现的使用时间为正常的传感器节点数据吞吐量 ,在约束(8.2),因素代表的可实现的数据吞吐量CH使用时间 。约束(8.1)和(8.2)计算需求的网络中传感器节点的实时传输。最后,约束(8.3时间约束的RB)计数。

问题(8)是一个集中的优化问题,完整的信道状态信息(CSI缩写,包括信道状态的信息和传输所有WPT的权力和智慧联系在WBAN)所需的RSC找到最优。在下面,我们开发一个快速算法来解决这个问题。为了满足实时要求的传感器节点,承认控制机制设计。

5.1。寻找最优

由于无线信道的广播特性,传感器节点可以由多个PBs收获射频能量辐射同时共同频带。因此,WPT的持续时间在一个RB(用 )是由集群需要WPT最长时间补充相关传感器节点的能量。基于这种考虑,我们可以定义WPT所需的时间kth集群作为 , 。如果集群是已知的,最优WPT时间,即。,the optimal point to switch from the WPT phase to the WIT phase in an RB, can be obtained as

接下来,我们将找到最优为 。首先,针对准静态平坦衰落的渠道,我们定义以下恒定因素(保持常数至少在一个RB)为便于符号: 在哪里可以作为传动功率的我th传感器节点如果WPT间隔等于智慧间隔,因此接收机的信噪比(信噪比)的吗我th传感器节点频谱效率衡量的比特数量可以通过使用单位的频谱资源。用方程(10)方程(3),平均传动功率传感器节点可以写成

然后,寻找最优的数学问题为可以建模为

问题的性质14)总结了命题1。

命题1。优化问题(14)是一个凸优化问题。

证明。很明显,问题的目标函数(14)是仿射,因此凹,因为它是一个线性的函数和 。同样,约束(14.2)也凸。因此,我们只需要验证约束的凸性(14.1)。需要指出的是, , ,和是独立的和在方程(10)- (12)。所以,我们可以变换约束(14.1), 众所周知,如果海赛矩阵是半正定的,那么它是凸(26]。的二阶导数 ,海赛矩阵可以由 它可以很容易地验证的主要未成年人矩阵是负的,这意味着矩阵是半正定。所以,是一个凸函数的和( )。
问题的目标函数(14)是凹和凸约束集合,我们现在可以得出结论:问题(12)是一个凸优化问题。

命题1。保证全局最优解的存在性问题(14)。通过使用以下标准可以找到最优凸优化方法。
首先,我们引入问题的拉格朗日函数(14), 在哪里和是负的拉格朗日乘数。
然后,通过应用Karush-Kuhn-Tucker(马)最优性条件27),最优解问题(14)可以通过解决以下方程:

的话。它是指出问题(14)可以单独解决每个集群的CH。所需的信息只是WPT的CSI和智慧联系的集群成员(包括CH和正常的传感器节点),可以通过PBs,美联社和正常的传感器节点CH通过专门的反馈渠道。然而,解决上述函数集是很难找到的。一个简单的方法来找到为仍然是必需的。

5.2。快速算法找到

为了找到为 ,我们进一步引入一个新的参数(和 ),代表了WPT传感器节点所需的时间来补充能量RB后续智慧阶段。它指出,WPT所需的时间kth集群是由传感器节点需要最长的WPT时间补充传输能量。如果为在kth集群是已知的最优集群可以由

数学上,寻找最优的问题为和可以建模为 等式约束(20.1)意味着最低WPT时间如果获得位RB只是传输成功。

从方程(20.1),我们可以得到

用方程(21)问题的目标函数(20.),我们可以得到

显然,最低时可以获得的一阶导数等于零。因此,通过求解以下方程: 我们可以得到最优为和 。

的话。方程(23)是一种含有一个未知数的指数方程参数 ,和没有解析解。在本文中,我们使用穷举搜索算法解这个方程的离散化。有了这个设计,我们第一个离散化可用的资源分配到有限数量的时间V时段,每个时间 。的时间选择是足够小,这样最优值的误差低于给定的阈值。一次方程(23)解决,可以通过使用方程(19)。因此,这个算法是班轮的复杂性和几乎可以实现WBANs中等数量的传感器节点。

5.3。接纳控制机制

作为总结,提出联合时间切换和传输调度算法(JTS)算法1)认为wireless-powered WBAN如下所示。

的话。应该注意的是,提出的资源分配和调度算法的性能只有时变信道系数的影响涉及到传感器节点,灯塔,访问点。作为身体区域网络的无线频道认为是平衰减缓慢,这些参数在一个调度期间保持不变。随着人体的运动,信道系数 , ,和(定义在方程(1),(4)和(6),分别)可能会有所不同从一个时期到另一个地方。因此,该算法1 period-by-period方式应在回答通道状态改变。

6。仿真结果

为了证明资源管理和QoS保证能力,本节的仿真结果显示提出的时间切换和传输调度方案。模拟wireless-powered WBAN如图1,多个病人进行一些对身体/机身传感器节点在医院病房10米长,10米宽,3米高度。独特的美联社的中心病房安装在天花板上,坐标是(5米,5米,3米)。两个专用的PBs射频能量来源也部署在天花板的病房。坐标(3.3米、3.3米、3米)和(6.6米、6.6米、3米),分别。网络的带宽大小是1 MHz。设置为信道的噪声方差 ,的幂律路径损耗信道建模 ,在哪里d从发射机到接收机的距离。身体的阴影被建模为Gauss-distributed随机变量与零均值和方差15分贝(24]。

为了匹配当前WPT和嗯硬件的实际情况,我们把Powercast产品(28设置仿真参数。Powercast RF-based远程WPT的先驱,嗯技术。根据产品数据表,数量剧增的权力的Powercaster发射机TX91501仅限于4瓦附近(29日],RF-to-DC Powerharvester接收机的转换效率高达75%30.]。这些使操作范围12 - 14米的视线。根据现有产品的性能,我们将每个PB的传动功率设置为−20分贝。对于每个嗯传感器节点,我们假设能源采集效率为0.5,和收获的一部分能量用于智慧是0.5。

6.1。案例1:固定数量的不同数量的患者对身体/机身传感器

在第一个实验中,我们修复的病人在病房K= 4和正常的传感器节点数量/在每个病人从2增加到20。病人的坐标是(1 m, 1 m, 0米),(3.7 3.7 0米),(6.3 6.3 0米),和(9米,9米,0米),分别。传感器节点随机分布在一个病人,和他们的最低速度要求设置为50 Kb / RB。实验执行10⁴*为了平均身体阴影的影响。值班时间定于WPT阶段以及智慧阶段在一个RB如图3。

从图3,我们可以观察到,与传感器节点的数量的增加在每个病人/,WPT时间(与圆短划线)需要补充能量和总所需智慧时间破灭(红色曲线)上传他们的传感数据线性增加。WPT的值班时间阶段相比,智慧的值班时间阶段占大部分的时间来满足最低速率要求(冲蓝色曲线)。这意味着PBs WBANs辐射与低功率是可行的,因为传感器节点在WBANs周期性低流量负载(低于50 Kb / RB)。

从图3,我们也注意到当传感器节点的数量在每个病人比18大,他们的最低速度要求(50 Kb / RB)不能满足网络因为WPT和智慧总时间(虚线蓝色曲线)需要满足最低速率需求大于RB的持续时间(标准化为1)。在这种情况下,应该允许控制应用;因此,一些传感器节点被推迟访问网络。

接下来,为了显示QoS保证计划的有效性,我们固定的传感器节点的数量/在每个病人在17岁,和获得的数据率的所有传感器节点图所示4。

从图4,我们注意到,所有的传感器节点的最低比率要求得到满足,特别是对簇头节点,这不仅将自己的数据传送给美联社还继电器附属普通传感器节点的传感数据美联社。仿真结果表明,如果网络负载低于一定水平控制,传感器节点的QoS需求可以通过该方案感到满意。

6.2。案例2:固定数量的对身体/机身传感器与不同数量的患者

在这个实验中,我们不同的病人在病房的数量K= 1到12,每个病人携带一个簇头节点和10个普通的传感器节点。病人是随机位于直线(1 m, 1 m, 0米),(9米,9米,0米)在病房。传感器节点的最低比率要求设置为50 Kb / RB。仿真结果如图5。

从图5,我们注意到,增加号码的病人在病房,总的智慧时间(与钻石虚曲线)所需的传感器节点上传他们的传感数据线性增加。从tdma通道访问方法,合成,每个传感器节点应该分配nonoverlapped数据传输的时间。然而,WPT时间(冲绿色曲线)需要补充的能量与不同数量的传感器节点保持不变。它表明该方案可以有效地利用广播的射频能量辐射。

从图5,我们还注意到,当病人的数量大于10,最低比率的要求(50 Kb / RB)的传感器节点不能满意。允许控制应该应用在这种情况下。我们修复患者的数量在10和显示获得的数据率的传感器节点图6。它验证最低比率的要求正常的传感器节点和簇头节点可以通过该方案感到满意。

6.3。案例3:固定数量的患者和对身体/机身传感器不同速度的要求

在过去的实验中,我们证明该方案的QoS保证能力提供不同数据率的传感器节点。为此,我们修复的病人在病房4和传感器节点的数量在每个病人/ 11,但我们增加传感器节点的最低速度要求从10 Kb / RB 100 Kb / RB。仿真结果如图7。

从图7,我们注意到,与最低比率的增量需求,WPT的值班时间阶段(虚曲线与圆)和智慧相(与钻石虚曲线)线性增加。原因是每个传感器节点应该分配更多的传输时间达到增加数据速率。因此,更多的WPT时间应该用于传感器节点为了平衡增加了随后的智慧能源消耗的阶段。

从图7再次,我们观察到,当每个传感器节点的最低比率要求大于80 Kb / RB,网络不能满足的需求。因此,允许控制应该应用于延迟的一些传感器节点访问网络。最后,在图8,我们获得的数据率时所有的传感器节点的最低要求是80 Kb / RB。它验证QoS需求的传感器节点可以通过该方案满足即使在close-to-saturation网络情况。

7所示。结论

在本文中,我们提出一个共同的时间切换和传输调度方案在wireless-powered WBANs。实现同步信息和权力交接,我们基本的资源块的网络划分为三个阶段,即:,the WPT phase (used for replenishing energy for the sensor nodes), the first WIT phase (used for data transmission from the normal sensor nodes to the cluster header nodes), and the second WIT phase (used for data transmission from the CHs to the AP). In order to satisfy the minimum rate requirements of the on-body/in-body sensor nodes, the optimal duty cycle for the WPT phase and the optimal transmission times for the WIT links are found. The simulation results show the abilities of the proposed scheme in QoS assurance and exploiting the broadcasting property of the RF energy radiation.

数据可用性

仿真代码用于支持本研究的发现可以从相应的作者要求,或可以通过下载访问[仿真代码。zip文件在以下网站:http://www.scholat.com/portalPaperInfo.html?paperID=36995&Entry=gpzhang。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作的部分支持由中国中央大学的基础研究基金(批准号2015 xkqy18)和中国国家自然科学基金(批准号61572389和61572389)。

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