无线体域网能效频效分析方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种无线体域网能效频效分析方法，包括：建立无线体域网共存泊松分布点模型；计算竞争域的中断概率；根据中断概率计算能量效率和频谱效率；计算能量效率和频谱效率的相互关系。本发明通过分析能量效率和频谱效率的关系，能够在无线系统设计中更好地平衡这两种性能指标，为系统中能量效率和频谱效率的联合设计带来启示意义。
【专利说明】
无线体域网能效频效分析方法
技术领域
[0001] 本发明设及无线通信技术领域，具体设及一种无线体域网能效频效分析方法。
【背景技术】
[0002] 无线体域网技术是无线传感器网络研究的一个重要应用方向，无线体域网因其便 携、可移动的特点，在远程医疗、健康监护等领域有着广阔的应用前景，该技术的应用对解 决看病难看病贵等问题和应对人口老龄化问题方面有着重要的实际意义。
[0003] 由于人的社会性，实际应用中多个体域网常出现在一个社交场所，形成一个网络 共存的现象，如图1所示，各个体域网之间通信范围的重叠，会导致严重的网络间干扰。网间 干扰会降低体域网的可靠性和能效性，并且多个网络存在无线频道的竞争，所W研究体域 网的能量效率(简称能效)和频谱效率(简称频效)的关系，对设计系统和提高系统性能具有 重要的理论价值和研究意义。
[0004] 能量在体域网运种微型网络中是最宝贵的资源。而在网络共存环境下，由于多个 节点竞争信道，运无疑加大网络之间的干扰，导致邻居体域网提高发射功率应对干扰。最后 造成共存体域网能量的巨大耗费。另外，干扰导致的数据包丢失也造成体域网能量的浪费。
[0005] 通常情况下每个WBAN对应着一个使用者，当人体移动，例如在集中病房、公交、超 市、电梯或出入口时，体域网的密度将可能会变得很大。由于运些随机分布的独立体域网之 间缺少协调，且频带资源有限，邻近体域网的交叉干扰信号可能会淹没本网信号，从而影响 本地信号的接收和解码。
[0006] 根据IE邸802.15.6制定的技术细节，系统的有效传输距离需达到3米，并容许不 超过10个本地共存网络。面对运种高密度的本地共存网络，如何有效平衡系统的能效和频 效问题和分析网络共存的一个最优密度，运是改善在高空间密度情况下系统性能的基础。 而且从系统可靠性的观点分析，网络共存引起的干扰和冲突可能会引发关系生命的重要数 据丢失，使得医生做出错误诊断，进而对病人的生命产生严重威胁。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明实施例提供一种无线体域网能效频效分析方法，W满足上述需 求。
[000引本发明实施例提供了 一种无线体域网能效频效分析方法，包括：
[0009] 建立无线体域网共存泊松分布点模型；
[0010] 计算竞争域的中断概率；
[0011] 根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
[0012] 计算能量效率和频谱效率的相互关系。
[0013] 进一步地，所述分析方法还包括:根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存 密度。
[0014] 进一步地，所述根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度，包括:根据能 量效率和频谱效率的相互关系计算二者的平衡关系，根据所述平衡关系计算最优共存密 度。
[0015] 进一步地，采用随机几何方法建立所述无线体域网共存泊松分布点模型。
[0016] 进一步地，所述计算竞争域的中断概率，包括：
[0017] 根据节点的竞争域内的总干扰计算信噪比；
[0018] 将信噪比小于预设阔值的概率作为中断概率。
[0019] 进一步地，所述根据中断概率计算能量效率，包括:根据中断概率、发送功率和电 路消耗功率计算能量效率。
[0020] 进一步地，所述根据中断概率计算频谱效率，包括:根据中断概率和同一个信道内 能同时容纳的节点数计算频谱效率。
[0021] 本发明通过分析能量效率和频谱效率运两种重要性能指标的关系，能够在无线系 统设计中更好地平衡能量效率和频谱效率运两种性能指标。通过推导系统的能量效率和频 谱效率近似关系闭式，可W掲示系统中提高无线通信系统的频谱效率和能量效率的理论限 审IJ，为系统能量效率和频谱效率的联合设计带来启示意义。
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所 需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据本发明实施 例的内容和运些附图获得其他的附图。
[0023] 图1是无线体域网共存示意图；
[0024] 图2是本发明实施例一所述的无线体域网能效频效分析方法流程图；
[0025] 图3是本发明实施例二所述的无线体域网能效频效分析方法流程图。
【具体实施方式】
[0026] 为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面 将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅 是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在 没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027] 下面结合附图并通过【具体实施方式】来进一步说明本发明的技术方案。
[0028] 图2是本发明实施例一所述的无线体域网能效频效分析方法流程图，如图1所示， 所述分析方法包括：
[0029] Sl、建立无线体域网共存泊松分布点模型；
[0030] 具体地，可W采用随机几何方法建立泊松点过程模型，每个无线体域网WBANs由一 个中屯、节点和多个采集节点组成，采用IE邸802.15.4标准的CSMA-CA协议，当多个WBANs在 一起时就构成了网络共存。根据随机几何分布性质，对于共存区域（即竞争域)M而言，其中 区域M内节点数k服从W下分布；
庚中，P( ?)表示概率，Ap表示干扰 节点的空间密度。
[0031] S2、计算竞争域的中断概率；
[0032] 首先，需要计算竞争域的信噪比。具体地，可W根据节点的寬争域内的点干扰来计 算信噪比。共存网络区域中任意一节点受到的累积干扰为：
Pt是发 送功率，hi是信道的功率衰落参数，Xi是两点之间的距离，a是路径损耗指数。所述竞争域的 信噪比可由下式计算得到：
其中，W是噪声功率，I是上式计算出的累积 干扰功率。
[0033] 接下来，将信噪比小于预设阔值的概率作为中断概率。具体地，中断概率可W由下 式来表示
其中，丫为预设阔值，P( ?)表示概率。
[0034] S3、根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
[0035] 首先，根据中断概率计算能量效率;具体地，根据中断概率、发送功率和电路消耗 功率计算能量效率。
[0036] 无线体域网中的传感器节点(无论体内还是体外)很难替换和充电，使得每个节点 必须利用有限的能量来最大限度地延长自身的寿命，所W能效是无线体域网的一个关键参 数。能量效率定义为每消耗单位焦耳的能量系统能够传输的比特数.它能够较好地体现吞 吐量和功率之间的折中。能效是指在单位功耗内发送的字节数
'其中， R是无线传输速率，Pc是电路消耗功率，Pout为中断概率，Pt是发送功率，Ap表示干扰节点的空 间密度，C是峰值平均功率比（PARR)，2450MHz的扩频PHY采用O-QPSK调制半正弦脉冲整形。 因此，我们C采用1.4。（是无线节点功率放大器的效率，在低功耗无线网络中，一般运个效率 比较低，运里只有7%。
[0037] 接下来，根据中断概率计算频谱效率;具体地，根据中断概率和同一个信道内能同 时容纳的节点数计算频谱效率。
[0038] 在无线应用高速发展的今天，人们逐渐意识到频谱资源是与石油、矿藏一样的稀 缺资源，其不可再生的特性使得频谱资源的宝贵性日益凸显。由于频谱分配的固定性，目前 大量的无线网络均工作于免授权的ISM频段，导致了运一频段的过度拥挤。在ISM 2.4GHz频 段为例，就有ZigBee、Bluetooth和Wi-Fi W及工业应用的Wireless HART、ISA100.1 la和 WIA-PA等网络，许多的无线体域网也是工作在运个频段，当运些网络部署于相同区域时，存 在相互干扰，严重降低通信的可靠性。因此，无线网络的层出不穷和ISM频段的信道拥挤为 低成本、低功耗的无线体域网提出了新的挑战。实际上，授权频段的频谱利用率并不高，仅 在15%--85%。所W研究无线网络的频谱效率对无线体域网的共存越来越重要。频谱效率 反映了频谱的利用效率，它实际上体现了系统功率和系统带宽之间的折中关系。运里的频 谱效率定义为单位带宽单位时间内成功发送的比特数。
[0039]
其中，R是无线传输速率，B是一个信道占用的带宽，Ap表示 干扰节点的空间密度，PDUt为中断概率。
[0040] S4、计算能量效率和频谱效率的相互关系。
[0041] 能量效率和频谱效率运两种重要性能指标的趋势并不总能保持一致，两者之间往 往存在一定的相互关系，为了在无线体域网中更好地评价能量效率和频谱效率运两种性能 指标的影响，就需要对两者的关系进行分析。具体地，二者的相互关系可表示为：riEE = f (Sse)，其中，化E表示能量效率，Sse表示频谱效率。
[0042] 通过上述实施例一，可W获得无线体域网络中能量效率和频谱效率运两种重要性 能指标的相互关系，为进一步分析和优化共存无线体域网络奠定了基础。
[0043] 图3是本发明实施例二所述的无线体域网能效频效分析方法流程图，如图3所示， 所述分析方法包括：
[0044] Sl、建立无线体域网共存泊松分布点模型；
[0045] S2、计算竞争域的中断概率；
[0046] S3、根据中断概率计算能量效率和频谱效率；
[0047] S4、计算能量效率和频谱效率的相互关系；
[0048] S5、根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度。
[0049] 其中，步骤S1-S4与实施例一中完全相同，具体可参见实施例一中的相关描述，此 处不再寶述。
[0050] 在实施例一所得到的能量效率和频谱效率的相互关系的基础上，为了进一步指导 和优化共存的无线体域网络，本实施例中根据能量效率和频谱效率的相互关系进一步计算 无线体域网络的最优共存密度。具体地，根据能量效率和频谱效率的相互关系计算二者的 平衡关系，然后根据所述平衡关系计算最优共存密度。通过能效和频效的平衡分析（即折中 分析），求出能效和频效的闭合表达式，根据闭合表达式求出系统的可行域，最后再根据可 行域得出共存网络最优的共存密度值。
[0051] 通过推导系统的能量效率和频谱效率近似关系闭式，可W掲示系统中提高无线通 信系统的频谱效率和能量效率的理论限制，为系统能量效率和频谱效率的联合设计带来启 示意义。
[0052] W上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可W通过软件编程实现，或者通 过专用硬件逻辑如ASIC、FPGA、SoC等实现，本发明对此不作限制。
[0053] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解， 本发明不限于运里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、 重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过W上实施例对本发明进行 了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于W上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还 可W包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
【主权项】
1. 一种无线体域网能效频效分析方法，其特征在于，包括： 建立无线体域网共存泊松分布点模型； 计算竞争域的中断概率； 根据中断概率计算能量效率和频谱效率； 计算能量效率和频谱效率的相互关系。2. 根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述分析方法还包括： 根据能量效率和频谱效率的相互关系计算共存密度。3. 根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述根据能量效率和频谱效率的相互 关系计算共存密度，包括:根据能量效率和频谱效率的相互关系计算二者的平衡关系，根据 所述平衡关系计算最优共存密度。4. 根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，采用随机几何方法建立所述无线体域 网共存泊松分布点模型： 竞争域Μ内存在k个节点的概率为： 其中，P( ·)表示概率，\[)表 示干扰节点的空间密度。5. 根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述计算竞争域的中断概率，包括： 根据节点的竞争域内的总干扰计算信噪比； 将信噪比小于预设阈值的概率作为中断概率。6. 根据权利要求5所述的分析方法，其特征在于，所述根据节点的竞争域内的总干扰计 算信噪比，包括： 计算竞争域中任意一节点受到的累积干扰I: 其中，Pt是发送功 率，lu是信道的功率衰落参数，Xl是两点之间的距离，a是路径损耗指数；计算信噪比SINR: 其中，W是噪声功率，I是上述累积干扰。 ，7. 根据权利要求6所述的分析方法，其特征在于，将信噪比小于预设阈值的概率作为中 断概率，包括：>其中，γ为预设阈值，P( ·)表示概率。8. 根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据中断概率计算能量效率，包 括:根据中断概率、发送功率和电路消耗功率计算能量效率。9. 根据权利要求8所述的分析方法，其特征在于，所述根据中断概率、发送功率和电路 消耗功率计算能量效率，包括：其中，R是无线传输速率，P。是电路消耗功率，ξ是峰值平均功率比， 为中断概率，Pt是发送功率，ζ是无线节点功率放大器的效率，&表示干扰节点的空间密 度。10. 根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据中断概率计算频谱效率，包 括:根据中断概率和同一个信道内能同时容纳的节点数计算频谱效率。11. 根据权利要求10所述的分析方法，其特征在于，所述根据中断概率和同一个信道内 能同时容纳的节点数计算频谱效率，包括：，其中，R是无线传输速率，B是一个信道占用的带宽，&表示干扰 节点的空间密度，p?t为中断概率。12. 根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述能量效率和频谱效率的相互关 系为： %E = f (3se)，％E表示能量效率，3SE表示频谱效率。
【文档编号】H04L12/24GK105827442SQ201610143211
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月14日
【发明人】刘瑞霞, 舒明雷, 陈长芳, 杨明, 杨媛媛
【申请人】山东省计算中心（国家超级计算济南中心）