无线体域网中的中继选择与功率分配

武警警官学院　刘永利　徐兴贵　哈　达

无线体域网中的中继选择与功率分配

武警警官学院刘永利徐兴贵哈达

伴随计算机和无线通信技术的更新，无线网络已进军各行各业，而无线体域网 提高人们生活的新生物。但是在WBAN中，节点的能耗成为了当今研究的一个重点话题。针对节点能量受限的问题，本文从功率分配的角度进行分析和研究，进而提出了一种新的功率分配策略，来实现延长WBAN的使用寿命和节能的目的。

无线体域网；协作通信；功率分配

1　引言

无线传感器的一个重要分支就是无线体域网。如今已经广泛应用到了医疗保健系统当中，成为了诊断程序的一部分。在WBAN中，每个智能节点都具有处理和传输信息到基站的能力，为诊断医疗提供辅助［1］。但是无线体域网的运用局限性强，传输距离短，所以每个节点都有能量局限。本文就体域网中数据传输和网络寿命两方面进行研究，通过引入协作通信网络的功率分配策略，为WBAN的发展提供了新的思路。

WBAN中，首要考虑的问题就是网络的寿命与节能的问题。文献［2］中，提出了基于DF策略的中继与分配方案，该方案也仅仅是在单个功率条件下讨论这个问题，没有进行联合式讨论，文献［3］提出了另外一种分配方案，在多源中继情况下，将信源功率最小化来进行中继选择，方案中，不仅降低了计算复杂度，发射功率也得到了良好的改善，但是该方案缺少了中继节点位置在性能影响方面的考虑。

因此，本文提出在无线体域网中如何功率分配问题。当只有一个中继节点参与协作时， 可利用微分方程来计算信源和中继节点的功率大小，但如果节点过多，就很嫩求出相应的功率分配解析解。

就需要利用最优化算法——牛顿法，来实现功率分配问题。

2　功率分配

牛顿法计算步骤如下：

b） 求函数一阶导数，计算出停止迭代的输出值，否则进行跳转。

c）通过牛顿方向，计算，得到：

求得下一轮迭代值，令k=k+1，然后跳转第二步。

计算过程中，还要考虑λ值，所以要确定λ值，才能求解。

λ值是拉格朗日乘子在约束条件下的值，故，可将极限角度分成两种情况，一种是中继节点功率为0时，一种是节点拥有全部功率，故可得两个值，即为上下界。

可以得出：

同理，由表达式（16），也可以得出另两个的值：

可以得到关于的上界，由（4）和（5）可以得到关于的下界：

根据函数，可计算出λ的确定值，并将该值作为拉格朗日乘子：

3　仿真与分析

（1） 基于牛顿法的功率分配仿真与分析

其中，信道衰落因子为。

图1所示，我们可知三个节点进行协作通信时，系统传输效率有显著提升，且优于等功率分配方案，随着节点的增多，系统效率也得到了改善。

图1　两中继系统总功率与传输速率关系

（2） 多中继节能效率

提升利用率，减少功率损耗是分配的主要目的，但如果节点过多，会不会造成浪费呢？所以我们又从效率的角度进行仿真分析。

用协作链路来传输，中断暂时链路，式（7）就可写成：

令，那么在高信噪比的条件下就求得信源的功率大小：

所以可通过下式计算系统总功率：

如若节点用等功率来进行分配，那么久可用下式进行计算求得系统总功率：

由式（13）和（14）可求得，使用新分配方案后的能源节约百分率：

但是，最优中继节点是满足条件的，所以式（14）就改写成：

这里可知道，节约能量并没有与系统容量及信道状态相关联，而是和节点个数和分配系数相关。

图2　中继节点节省功率情况

图2是最优分配方案中节点节约能量的情况图，我们可知，随着节点数的增多，节点就能节约更多能量，但实际上，如果考虑用户限制的代价问题，就不会采用很多的节点进行通信，但功率分配是可以起到节约能量的作用的。

4　总结

当下，无线体域网已得到广泛应用，在医学上有很重要的作用。随着研究的深入，研究体域网中能量节约和传输可靠性变得非常重要，而本文则提出了一种结合协作通信与无线体域网的思路，将功率分配应用到体域网中，来提高其能量利用率和传输效能。

［1］M Wegmüller， Marc Simon. Intra-body communication for biomedical sensor networks. Vol. 68. No. 04. 2007.

［2］M.O.Pun，D.Brown，and H.Poor， “Opportunistic collaborative beam-forming with one-bit feedback，”IEEE Trans.Wireless Commun.，vol.8，no.5，pp.2629-2641，May 2009.

［3］Mohammad Faisal Uddin， Chadi Assi and Ali Ghrayeb Concordia University， Montr ′eal （QC）， Canada， “Joint Optimal Relay Selection and Power Allocation in Multicast Cooperative Networks”［J］.IEEE ICC， PP： 5086-5091.2012.

刘永利（1987—），河北承德人， 硕士，武警警官学院助教，研究方向：无线通信。