基于无线体域网的传输功率控制和调度方案

xxxx年x月JournalonCommunicationsxxxx第xx卷第x期通信学报xxxx基于无线体域网的传输功率控制和调度方案摘要：无线体域网未来将在医疗、运动、休闲和生活等方面起着越来越重要的作用。本文主要目的是解决无线体域网的两个关键问题：第一是在每个时隙内选择哪一个传感器节点传输来最大化网络的生存期，确保网络的公平性；第二是在未降低可靠性的前提下，选择合适的发射功率等级达到节省能量的目的。针对第一个问题，本文提出一种分布式调度方案去均衡无线体域网的生存期和公平性；针对第二个问题，本文提出改进的传输功率控制方案自适应地校正传输功率。仿真结果验证了所提出方案的有效性。关键词：无线体域网；生存期；公平性；功率控制；调度方案TransmissionPowerControlandSchedulingSchemeinWirelessBodyAreaNetworksWANGZhi-jun,HUFeng-ye,YINYing-qiandLIUXiao-lan(CollegeofCommunicationEngineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)Abstract:Wirelessbodyareanetwork(WBAN)areexpectingtoplayanessentialroleforhealthcare,sports,leisure,andalltheaspectofourdailylife.ThepurposeofthispaperistosolvetwokeyissuesofWBAN.Thefirstissueiswhichsensorshouldtransmitduringeachtimeslotinordertomaximizethelifetimeaswellasmaintainingfairnessperformance.Thesecondissueiswhichtransmitpowerlevelshouldbechosenforthepurposeofenergysavingwithoutdegradingreliability.Forthefirstproblem,adistributedschedulingschemeisproposedtobalancelifetimeandfairnessforWBAN.Forthesecondissue,wepresentamodifiedtransmissionpowercontrolschemetoadjusttransmitpoweradaptively.Simulationresultsarepresentedtodemonstratedefficacyoftheproposedschemes.Keywords:wirelessbodyareanetwork(WBAN);lifetime;fairness;powercontrol;schedulingscheme.1引言无线体域网(WBAN,wirelessbodyareanetwork)是为各种医疗和非医疗应用提供实时监控的新兴技术[1]，它是一个包含AP(AccessPoint)节点和若干可以采样、处理、传输人体生理参数的传感器节点的特殊无线传感器网络。在2012年2月，IEEE802.15.6工作组发布了无线体域网标准[2]。涵盖了无线体域网的各个方面，包括物理层，、媒体介入控制层和安全模式等，制定了人体内或人体附近的基金项目：国家自然科学基金资助项目(61074165，61273064).FoundationItems:NationalNaturalScienceFoundationofChina(61074165，61273064).·2·通信学报第x卷无线短距离通信标准。近年来，无线体域网的研究已经取得了显著的进展[3][4]，但是仍然还有很多问题亟待解决。在能量受限的无线体域网中，网络生存期是主要需要解决的问题。网络生存期最大化问题的研究可以追溯到无线传感器网络(WSN,wirelesssensornetworks)。CHEN等人提出动态传输调度方案(DPLM，dynamictransmissionschedulingscheme)[5]，分析表明该调度方案在优化网络生存方面是渐进最优的。CHEN等人又提出了在三种信道状态信息(CSI,CHNNE)结构类型下利用随机最短路径马尔可夫决策过程来计算网络生存期最大化的问题[6]。但是，上述的传输调度方案存在不公平性的缺点。在信道状态持续衰落的情况下，可能导致某些节点在很长一段时间都没有被选择去发送数据的结果。由于不同传感器节点的异构要求，公平性也是无线体域网考虑的一个非常重要的方面。公平性的概念在资源分配方面得到了充分的研究，提出了几种在限制公平性的条件下来提高系统的性能的算法[7][8]。Yazdandoost等人提出了体域网体表信道传输特性[9]。随着人体的不断运动，信道状态也随着剧烈运动，显然传感器节点使用固定的发射功率是不合适的。因为当信道状况较好的时候，过高的发射功率不仅造成了不必要的能量浪费而且还对其他体域网造成了干扰。当信道状况较差时，发射功率较低会降低网络的可靠性。所以，需要研究无线体域网中的自适应功率控制机制来延长网络的生存期和提高可靠性[10][11]。本文主要研究了两个关键的问题。第一问题是：在每个时隙内，保证最大化网络生存期和可靠性的前提下选择合适的传感器节点传输。第二问题是：在不降低可靠性的前提下，选择合适的发射功率等级达到节省能量的目的。接下来通过改进的自适应算法来解决第二个问题。在此基础上提出一个分布式公平调度方案来解决第一个问题。仿真实验结果验证所提出的方案和算法的有效性。本文的结构如下：第2节，描述无线体域网的网络模型和拓扑结构；第3节，提出了改进的自适应功率算法和性能分析；第4节，提出公平权值的设计准则、公平权值的设计方案和分布式实现。第5节，对上述问题进行仿真实验分析。第6节，结论。2无线体域网(WBAN)的网络模型IEEE802.15.6标准规定了无线体域网的网络拓扑结构为星型结构并且支持两跳的扩展网络，本文只考虑单跳的情况。在无线体域网中，每个传感器节点只测量某一种生理参数并且通过衰落信道直接将数据传给AP节点。本文只考虑在不同的时隙内传感器传输调度的单一网络，以至于干扰可以被忽略。本文只考虑采用局部信道状态信息(CSI,channelstateinformation)和剩余能量信息(REI,residualenergyinformation)的分布式调度方案。并且这个集中式的传输调度方案的开销极高，而本文未考虑传感器之间的计算复杂度。在IEEE802.15.6通信标准的MAC层协议中，时间被分成了等长的超帧结构。每个超帧结构包括如下四个部分：控制阶段、竞争接入阶段(CAP)、竞争空闲阶段(CFP)、非活跃阶段。CFP阶段又继续分成若干时隙。我们关注数据包主要在CFP阶段传输的基于TDMA的协议。所以在我们研究的体域网中，时间是待分配给各个传感器节点的资源。我们假定一个WBAN包括N个具有初始能量inE的传感器节点和一个汇聚节点AP。网络采用星形网络拓扑结构，也就是说，所有的传感器节点共享一个信道。信道模型采用块衰落信道，在每个时隙信道增益保持不变。在体域网的通信中，信号在传播过程中会经历能量吸收、反射、衍射、身体遮蔽和不同的身体姿势等，这样就导致了衰落。理论信道模型起源于电磁传播的基本原则，为特定的场景在无线电链路层级提供精确的建模。这项工作太复杂，超出了我的研究范围。本文采用文献[12]提出的信道模型和信道统计特征。IEEE802.15.6TG6小组的报告中给出了在2400MHz频段上四个数据传输速率和相应的最小接收功率，如表1所示。表12.4GHz数据速率和相应的最小接收功率假设所有的传感器节点都能够输出-25dBm到0dBm的发射功率。为了便于计算节省能量的值，我们需要将输出功率Ptx(dBm)转换成能量消耗Pcon(mW)。所以，传感器节点i传输数据消耗的总能量数据速率(bps)121.4242.9485.7971.4Rxsens(dBm)-95-93-90-86第x期王志军等：基于无线体域网的传输功率控制和调度方案·3·为txiconiconiIEPTPv(1)其中，I是数据包的大小，vi是传感器节点的传输速率。3自适应功率控制机制由于无线体域网的信道质量会随着环境的改变和身体的移动而迅速改变。所以，在功率控制机制中，当信道状况变差时，传输功率必须相应地提高来避免数据包丢失；在信道状况较好时，传输功率要适当减少来提高能效。XIAO等人提出的自适应功率控制机制已经达到了很好的性能[13]。下面介绍能达到这种效果的功率控制机制，其对功率的控制是通过调节其中的参数设置实现的。假设传感器节点的发射机通过接收机反馈的信息知晓每个数据包的RSSI，用R表示。在算法中涉及到四个重要的系数：u、d、TL和TH。系数u和d分别应用于较好的信道和较差的信道。这样做有利于功率控制机制及时地对不断波动的信道状况做出相应的调整，使方案决定是更加注重能效还是更加注重数据的可靠性。功率控制方案的目标是通过调节发射功率使RSSI的指数加权滑动平均R保持在最低阈值TL和最高阈值TH之间。在XIAO等人的方案中，当信道状况变差使得RTL时，传输功率加倍，当信道状况较好使得RTH时，传输功率减少一个固定数值。此方案可能会导致这样的情况，在信道的波动中R刚刚达到低于TL的值时，在下一个时隙方案会过度反应将发射功率加倍使发射功率远高于合适的发送功率而造成能量的浪费。当信道条件稍好使得R的值刚刚高于阈值TH时，发射功率降低一个固定的数值可能会使实际的发射功率低于合适的功率造成数据传输的可靠性降低。本文提出了一个改进的功率控制机制来克服上述问题。为了便于对比，我们使用的所有参数均与文献[13]相同。方案采用二分查找的方法来调节传输功率等级。如表2所示。表2改进的功率控制算法1、输入R(当前的RSSI值)和R(RSSI的指数加权平均)。2、如果__RR，则更新R的值____(1)ddRRR。3、如果__RR，则更新R的值____(1)uuRRR。4、若__LRT，更新发送功率(max)/2transpowertranspowerpower5、若__HRT，更新发送功率(min)/2transpowertranspowerpower6、若__LHTRT，发送功率保持不变。如表2的功率控制算法所示：如果R降低到最低阈值TL以下，下一个时隙发射功率的值为即时发射功率与最高发射功率的平均值(步骤4)。相似地，当R的值高于最高阈值TH，下个时隙的发射功率为即时发射功率与最低发射功率的平均值(步骤5)。这种功率控制机制非常灵活，参数u和d均可以根据实际应用的要求来调整达到能效和可靠性的折衷。在文献[13]中，为了适应监测不同生理参数的要求，定义了三种方法分别称为保守、激进和平衡策略。保守策略适合应用在对可靠性要求较高但对能效要求不严格的情况下。在对能耗要求极其严格但对可靠性要求不高的条件下适合于采用激进的策略。平衡的策略对能效和可靠性的侧重度相同，即对网络信道状况变好和变差的变化趋势反应程度相同。在第5节的仿真中我们将针对这三种方法分别与文献[13]进行比较来验证提出算法的能效和可靠性。4公平权值方案的设计在本节，我们将提出一个分布式的传输调度方案。整个方案的重点是公平权值的设计，它是CSI、REI和数据速率的指数加权滑动平均(EWMA,ExponentiallyWeightedMovingAverage)的函数。4.1公平权值的设计原则公平权值的设计需要满足两个条件：(1)公平权值需要平衡好CSI和REI的关系来延长整个网络的生存期；(2)传输调度方案需要能够根据过去的传输·4·通信学报第x卷纪录来调整公平权值