本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無線體域網(wǎng)功率及速率的自適應(yīng)調(diào)整方法。

背景技術(shù)：

無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network,WBAN)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)在生物醫(yī)療等領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。無線體域網(wǎng)是以人體為中心，由一些依附在身體表面或植入身體內(nèi)的傳感器共同組成的一個無線網(wǎng)絡(luò)。無線體域網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的組成部分，在醫(yī)療保健、疾病的監(jiān)控及預(yù)防上具有巨大的應(yīng)用意義及需求，日漸成為醫(yī)療、商業(yè)等領(lǐng)域的關(guān)注焦點(diǎn)。

無線體域網(wǎng)具有以下幾個特點(diǎn)：信道狀況變化迅速，這是由于人體隨機(jī)運(yùn)動造成的；傳感器電量非常有限，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)植入體內(nèi)，要求節(jié)點(diǎn)的體積盡量小，同時體域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)通常是靠電池供電，植入體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)也不便于頻繁更換電池。因此如何快速地適應(yīng)不斷變化的信道狀態(tài)，在保證通信可靠性的同事盡量降低能耗延長電池壽命，成為無線體域網(wǎng)技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。

國內(nèi)外的學(xué)者提出了很多功率控制或速率控制方法來解決這個問題，但是這些控制方法并沒有充分考慮各個傳感器節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性，如何根據(jù)各個節(jié)點(diǎn)的不同要求來選擇控制策略，以實現(xiàn)對功率和速率的動態(tài)控制，仍是需要解決的一個問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明提供一種無線體域網(wǎng)功率及速率的自適應(yīng)調(diào)整方法。

本發(fā)明根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)對其采集數(shù)據(jù)的傳輸要求進(jìn)行節(jié)點(diǎn)分類，通過對不同類別的節(jié)點(diǎn)實行不同的控制策略，實現(xiàn)功率及速率的動態(tài)控制，在滿足通信可靠性的同時盡量減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種無線體域網(wǎng)功率及速率的自適應(yīng)調(diào)整方法，包括如下步驟：

S1確定無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及接入機(jī)制，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括源節(jié)點(diǎn)及中心節(jié)點(diǎn)；

S2根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個源節(jié)點(diǎn)的特征進(jìn)行分類，存入中心節(jié)點(diǎn)；

S3中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前接收到的某一源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并對連續(xù)N次接收的誤比特率進(jìn)行加權(quán)平均值的計算；

S4中心節(jié)點(diǎn)確定當(dāng)前接收的源節(jié)點(diǎn)的類型，將S3計算得到的加權(quán)平均值與對應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，確定是否要對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率或速率的調(diào)整，并根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的類型采取相應(yīng)的策略；

S5中心節(jié)點(diǎn)將調(diào)整結(jié)果反饋給當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。

所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括單跳星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及多跳樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述單跳星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由多個無線傳感器源節(jié)點(diǎn)及一個中心節(jié)點(diǎn)互聯(lián)構(gòu)成。

所述S2中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個源節(jié)點(diǎn)的特征進(jìn)行分類，具體為：

根據(jù)傳感器源節(jié)點(diǎn)所傳輸數(shù)據(jù)的要求以及源節(jié)點(diǎn)安裝位置的安全性將傳感器源節(jié)點(diǎn)分為如下三種：

功率敏感型：傳感器源節(jié)點(diǎn)位于人體某些受輻射影響較大的部位，需要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率上限，則將這些源節(jié)點(diǎn)設(shè)為功率敏感型節(jié)點(diǎn)；

速率敏感型：傳感器源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量大或?qū)r延的要求高，則這類節(jié)點(diǎn)設(shè)為速率敏感型節(jié)點(diǎn)；

兼容型：該類節(jié)點(diǎn)對功率和速率沒有要求，則這類節(jié)點(diǎn)為兼容型源節(jié)點(diǎn)。

S3中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前接收到的某一源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并對連續(xù)N次接收的誤比特率進(jìn)行加權(quán)平均值的計算；

具體為：

中心節(jié)點(diǎn)接收到該源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，統(tǒng)計出現(xiàn)差錯的比特數(shù)，計算此次數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率BER，記為e₀，然后通過公式計算連續(xù)N次接收的誤比特率加權(quán)平均值，其中α_i為加權(quán)系數(shù)，

所述S4具體步驟如下：

設(shè)當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)門限值上限為Th，下限為Tl；

中心節(jié)點(diǎn)將與Th進(jìn)行比較，如果對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的功率或速率進(jìn)行調(diào)整以滿足通信質(zhì)量的要求；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是功率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前功率不變并按照公式R_next＝η_rR_now(0<η_r<1)降低該節(jié)點(diǎn)的速率，其中R_now為當(dāng)前速率，R_next為調(diào)整后的速率，η_r為速率下降系數(shù)；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是速率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前速率不變并按照公式P_next＝η_pP_now(η_p>1)提高該節(jié)點(diǎn)的功率，其中P_now為當(dāng)前發(fā)射功率，P_next為調(diào)整后的功率，η_p為功率提升系數(shù)；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是兼容型節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的資源分析后，確定是否對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的功率及速率進(jìn)行調(diào)整，如進(jìn)行功率調(diào)整，則使用與速率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法提高發(fā)射功率，如進(jìn)行速率調(diào)整，則使用與功率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法降低速率；

如果再將與Tl進(jìn)行比較，如果需要對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的功率或速率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到節(jié)約能耗的目的：

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是功率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前功率不變并按照公式R_next＝R_now+△R提高該節(jié)點(diǎn)的速率，其中△R為速率提升步長；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是速率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前速率不變并按照公式P_next＝P_now-△P降低該節(jié)點(diǎn)的功率，其中△P為功率下降步長；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是兼容型節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的資源分配情況進(jìn)行分析后，確定對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率調(diào)整還是速率調(diào)整，如進(jìn)行功率調(diào)整，則使用與速率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法降低發(fā)射功率，如進(jìn)行速率調(diào)整，則使用與功率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法提高速率；

當(dāng)時不需要調(diào)整。

在動態(tài)過程中，優(yōu)先對功率敏感型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行速率調(diào)整，對速率敏感型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率調(diào)整。

初始情況，根據(jù)各個部位的特點(diǎn)將功率敏感型節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置默認(rèn)值，將速率敏感型節(jié)點(diǎn)的速率設(shè)置為默認(rèn)速率。

所述接入機(jī)制包括CSMA/CA和TDMA兩種接入機(jī)制。

本發(fā)明的有益效果：

(1)充分考慮了無線體域網(wǎng)中各種數(shù)據(jù)傳輸要求的差異，通過節(jié)點(diǎn)分類使得功率或速率的動態(tài)調(diào)整能夠更好地滿足不同傳感器節(jié)點(diǎn)的要求。

(2)與現(xiàn)有的利用SINR或RSSI進(jìn)行功率或速率控制的方法不同，本發(fā)明通過BER與門限值比較來確定控制策略，相比于測量SINR或RSSI來說，BER的計算更為簡單直接，也能準(zhǔn)確地反映信道的好壞。

(3)本發(fā)明可以實現(xiàn)對功率和速率的聯(lián)合控制，兼容型節(jié)點(diǎn)的設(shè)置使得中心節(jié)點(diǎn)可以兼顧網(wǎng)絡(luò)的資源優(yōu)化分配。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的工作流程圖；

圖2是本實施例的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，一種無線體域網(wǎng)功率及速率的自適應(yīng)調(diào)整方法，包括如下步驟：

步驟一101確定無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及接入機(jī)制，所述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括源節(jié)點(diǎn)及中心節(jié)點(diǎn)；

在IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為單跳星型拓?fù)浜投嗵鴺湫瓮負(fù)洌瑑煞N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有其優(yōu)點(diǎn)與不足，現(xiàn)有對無線體域網(wǎng)功率或速率控制方法的研究主要采用星型拓?fù)洌切屯負(fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、節(jié)點(diǎn)傳輸時延小的優(yōu)點(diǎn)，因此本實施例中采用的是星型拓?fù)洹D2所示是無線體域網(wǎng)典型星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。星型拓?fù)涞臒o線體域網(wǎng)由一些附著在人體表面或者植入人體內(nèi)部的無線傳感器源節(jié)點(diǎn)和一個中心節(jié)點(diǎn)互聯(lián)而成，源節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集人體生理特征信息并發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，再由中心節(jié)點(diǎn)通過有線或無線的方式經(jīng)由其他網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程站點(diǎn)，同時中心節(jié)點(diǎn)也負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程站點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的源節(jié)點(diǎn)，通過中心節(jié)點(diǎn)可以實現(xiàn)對各個源節(jié)點(diǎn)的控制和管理。

IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)提出了CSMA/CA和TDMA兩種接入機(jī)制，相對于CSMA/CA，TDMA更加適用于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，同時在節(jié)省功耗方面更有優(yōu)勢，本實施例中采用TDMA接入機(jī)制，每個源節(jié)點(diǎn)在一個TDMA幀中的發(fā)送時隙固定。

步驟二102根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中各個源節(jié)點(diǎn)的特征進(jìn)行分類，存入中心節(jié)點(diǎn)；

根據(jù)傳感器源節(jié)點(diǎn)所傳輸數(shù)據(jù)的要求以及源節(jié)點(diǎn)安放位置的安全性要求將所有節(jié)點(diǎn)分為三類：

功率敏感型：如果源節(jié)點(diǎn)位于人體某些受輻射影響較大的部位，需要嚴(yán)格控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率上限，則將這些源節(jié)點(diǎn)設(shè)為功率敏感型節(jié)點(diǎn)，根據(jù)各個部位的特點(diǎn)將這些源節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率設(shè)置為合適的默認(rèn)值，在動態(tài)控制過程中優(yōu)先對這些源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行速率調(diào)整；

速率敏感型：如果源節(jié)點(diǎn)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大或者對時延的要求比較高，則將這些源節(jié)點(diǎn)設(shè)為速率敏感型節(jié)點(diǎn)，并為這些源節(jié)點(diǎn)設(shè)置默認(rèn)速率，在動態(tài)控制過程中優(yōu)先對這類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射功率調(diào)整；

兼容型：如果源節(jié)點(diǎn)對功率和速率都沒有特殊要求，動態(tài)控制過程中可以根據(jù)整個網(wǎng)絡(luò)的資源分配情況對這些源節(jié)點(diǎn)的功率或速率進(jìn)行調(diào)整。

在完成了所有節(jié)點(diǎn)的分類后將分類結(jié)果存儲于中心節(jié)點(diǎn)中，在之后的步驟中中心節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)該結(jié)果對不同節(jié)點(diǎn)采取不同的控制策略。

表1給出了常見生命體參數(shù)的傳輸要求，同時給出了基于上述分類方法的分類建議：

表1傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸要求

步驟三103中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前接收到的某一源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并對連續(xù)N次接收的誤比特率進(jìn)行加權(quán)平均值的計算；

中心節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，統(tǒng)計出現(xiàn)差錯的比特數(shù)，計算本次數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`比特率BER，記為e₀(0≤e₀≤1)。

通過公式計算連續(xù)N次接收的誤比特率加權(quán)平均值，其中α_i為加權(quán)系數(shù)，該加權(quán)平均值的本質(zhì)是利用歷史信道質(zhì)量狀況來對未來信道質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)時間順序遠(yuǎn)近，將距離較遠(yuǎn)的周期的加權(quán)系數(shù)設(shè)置得較小，距離較近的周期的加權(quán)系數(shù)設(shè)置得較大，可以得到更加準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)果。此外，由于人體運(yùn)動的隨機(jī)性，信道狀況不穩(wěn)定，信道質(zhì)量頻繁突變，通過加權(quán)系數(shù)的設(shè)置可以起到平滑的作用，消除信道質(zhì)量突變的影響。

步驟四104及105中心節(jié)點(diǎn)確定當(dāng)前接收的源節(jié)點(diǎn)的類型，將S3計算得到的加權(quán)平均值與對應(yīng)該節(jié)點(diǎn)的預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，確定是否要對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率或速率的調(diào)整，并根據(jù)當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的類型采取相應(yīng)的策略；

具體為：中心點(diǎn)可以從預(yù)存的分類信息中獲知當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的類型。

本發(fā)明實施例中預(yù)設(shè)當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的BER上限為Th，下限為Tl。上限Th的設(shè)置要符合表1中各個源節(jié)點(diǎn)所傳輸數(shù)據(jù)的BER要求；下限Tl可以根據(jù)各源節(jié)點(diǎn)的需求設(shè)置為不同的值，下限Tl設(shè)置的目的是為了避免在信道較好的情況下，使用較大的發(fā)射功率或較低的速率而造成的能量浪費(fèi)。

中心節(jié)點(diǎn)將與Th進(jìn)行比較，如果說明當(dāng)前信道質(zhì)量變差，信息傳輸不可靠，需要對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的功率或速率進(jìn)行調(diào)整以滿足通信質(zhì)量的要求：

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是功率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前功率不變并按照公式R_next＝η_rR_now(0<η_r<1)降低該節(jié)點(diǎn)的速率，其中R_now為當(dāng)前速率，R_next為調(diào)整后的速率，η_r為速率下降系數(shù)；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是速率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前速率不變并按照公式P_next＝η_pP_now(η_p>1)提高該節(jié)點(diǎn)的功率，其中P_now為當(dāng)前發(fā)射功率，P_next為調(diào)整后的功率，η_p為功率提升系數(shù)；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是兼容型節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的資源分配情況進(jìn)行分析后，確定對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率調(diào)整還是速率調(diào)整，如進(jìn)行功率調(diào)整，則使用與速率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法提高發(fā)射功率，如進(jìn)行速率調(diào)整，則使用與功率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法降低速率。

如果再將與Tl進(jìn)行比較，如果說明當(dāng)前信道質(zhì)量相對良好，需要對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)的功率或速率進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到節(jié)約能耗的目的：

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是功率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前功率不變并按照公式R_next＝R_now+△R提高該節(jié)點(diǎn)的速率，其中△R為速率提升步長；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是速率敏感型節(jié)點(diǎn)，則保持當(dāng)前速率不變并按照公式P_next＝P_now-△P降低該節(jié)點(diǎn)的功率，其中△P為功率下降步長；

如果當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)是兼容型節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的資源分配情況進(jìn)行分析后，確定對當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率調(diào)整還是速率調(diào)整，如進(jìn)行功率調(diào)整，則使用與速率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法降低發(fā)射功率，如進(jìn)行速率調(diào)整，則使用與功率敏感型節(jié)點(diǎn)同樣的方法提高速率。

當(dāng)時不需要調(diào)整。

對功率或速率的調(diào)整都是為了使盡可能地穩(wěn)定在門限值規(guī)定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到可靠傳輸和節(jié)約能耗之間的動態(tài)平衡。

步驟五106中心節(jié)點(diǎn)將調(diào)整結(jié)果反饋給當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)發(fā)送。

中心節(jié)點(diǎn)將調(diào)整后的功率及速率值反饋給當(dāng)前源節(jié)點(diǎn)，源節(jié)點(diǎn)在下一個發(fā)送周期使用調(diào)整后的功率和速率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。