一种无线体域网的能效传输方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明适用于无线通信【技术领域】，公开了一种无线体域网的能效传输方法，包括：建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型，获得传输速率的取值范围，通过根据单位比特能量消耗模型和传输速率的最小值，计算出一个阈值距离；若当前传输距离小于阈值距离，则根据单位比特能量消耗模型和传输速率的取值范围采用优化算法求出最佳传输速率，并以该最佳传输速率进行数据传输。本发明还公开了一种无线体域网的能效传输装置。采用本发明，可降低传输距离较短的无线体域网通信系统的能量消耗，有效提高电池的使用寿命。
【专利说明】一种无线体域网的能效传输方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，尤其涉及一种无线体域网的能效传输方法及装置。
【背景技术】
[0002]无线体域网(WBAN, Wireless Body Area Network)是一种以人体为中心，由和人体相关的网络元素等组成的通信网络。近年来，随着无线技术的高速发展，无线体域网因其便携性等优点，也越来越被广泛应用，主要的热门应用方向为远程医疗服务、娱乐及军事
坐寸ο
[0003]无线体域网通过在人体周围或皮肤表面放置不同的网络节点，这些网络节点组成一个围绕人体的局域网，通过无线方式进行数据传输。然而，由于网络节点的能量主要是由电池供电，而电池的能量非常有限，因此，电池的能量消耗直接决定了电池的使用寿命。通常，在无线通信系统中，能量消耗大体上可分为电路消耗的能量(即电路能耗)和在无线链路上发送无线信号消耗的能量(即传输能耗)，当无线通信系统的传输距离较长时，传输能耗占主要部分；当无线通信系统的传输距离较短时，电路能耗和传输能耗可以相抗衡。目前，现有的无线通信网能耗优化方法通常将电路能耗忽略不计，只考虑传输能耗，通过降低数据的传输速率，来实现降低能耗的目的。然而，在传输距离较短的无线体域网中，由于电路能耗不能被忽略，因此在传输距离较短的无线体域网中能量消耗仍然较大。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术对传输距离较短的无线体域网的能量消耗改善非常小的缺陷，提供一种无线体域网的能效传输方法，有效改善无线体域网通信系统的能量消耗，提高电池的使用寿命。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，提供一种无线体域网的能效传输方法，包括:
[0006]根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型；
[0007]根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；
[0008]根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离；
[0009]若当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。
[0010]其中，所述建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型包括以下步骤:[0011]根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；
[0012]根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型；
[0013]根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；
[0014]根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。
[0015]其中，所述获得传输速率的取值范围包括以下步骤:
[0016]根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值；
[0017]根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值；
[0018]根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。
[0019]其中，所述单位比特能量消耗模型为凸函数。
[0020]其中，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。
[0021]相应地，本发明还提供了一种无线体域网的能效传输装置，包括:
[0022]模型建立模块，用于根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型；
[0023]获得模块，用于根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；
[0024]阈值计算模块，用于根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离；
[0025]优化模块，用于当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。
[0026]其中，所述模型建立模块包括:
[0027]确定单元，用于根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；
[0028]第一建立单元，用于根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型；
[0029]第一计算单元，用于根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；
[0030]第二建立单元，用于根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。
[0031]其中，所述获得模块包括:
[0032]第二计算单元，用于根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值；
[0033]第三计算单元，用于根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值；
[0034]获得单元，用于根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。
[0035]其中，所述单位比特能量消耗模型为凸函数。
[0036]其中，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。
[0037]实施本发明，具有如下有益效果:[0038]根据单位比特能量消耗模型和传输速率的最小值，首先计算出一个阈值距离，该阈值距离和传输速率的最小值为所有可能取值的传输速率和传输距离构成的无数组组合中能量消耗最小的一种组合；然后比较当前传输距离与阈值距离的大小，若当前传输距离小于阈值距离，则根据单位比特能量消耗模型和传输速率的取值范围采用优化算法求出最佳传输速率，并以该最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。采用本发明，能有效降低无线体域网通信系统的能量消耗，提高电池的使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]图1是本发明的无线体域网的能效传输装置的实施例结构组成示意图；
[0041]图2是本发明的图1中的模型建立模块的其中一种结构组成示意图；
[0042]图3是本发明的图1中的一种节点工作的时序示意图；
[0043]图4是本发明的图1中的获得模块的其中一种结构组成示意图；
[0044]图5是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的流程示意图；
[0045]图6是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的单位比特能耗与传输速率及传输距离的关系曲线图；
[0046]图7是本发明实施例的无线体域网的能效传输方法的各能耗与调制级数的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0047]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通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。
[0048]参见图1，为本发明的无线体域网的能效传输装置的实施例结构组成示意图，该装置包括:模型建立模块10、获得模块11、阈值计算模块12和优化模块13。
[0049]模型建立模块10，用于根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型M。单位比特能量消耗模型M是指通信系统在传输一单位比特的信息量时系统所消耗的能量Ebit，其中，系统所消耗的能量包括电路能耗和传输能耗，在WBAN系统中，电路能耗为传输速率R的递减函数，传输能耗为传输速率R的递增函数。根据无线体域网设备的工作场景和工作频带的不同，信道分组可分为CM(Channel Model,单通道模式)1、CM2和CM3。
[0050]作为一种可选的实施方式，本发明实施例中的模型建立模块10可以如图2所示，为本发明的图1中的模型建立模块的其中一种结构组成示意图，其中，模型建立模块10包括:确定单元101、第一建立单元102、第一计算单元103和第二建立单元104。
[0051]确定单元101，用于根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型M的结构。在WBAN通信系统中，节点工作的时序是基于占空比的实时处理过程，参见图3，为本发明的图1中的一种节点工作的时序示意图。在活跃期Ta。时间内，穿戴在人体表面或置于人体内部的传感器节点对感知和采集到的微弱的人体生理信号进行放大、滤波和调制等处理后，通过无线的方式发送到人体附近的基站或移动单元进行处理；完成这一传输过程后，节点转换到休眠模式以节省能量，在休眠期Tsl时间内，节点中的大部分电路兀件处于断开状态，由于CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)电路体积越来越小，在休眠期Tsl内消耗的能量不能被忽略。因此，概括地说，节点工作包括三种工作时期:活跃期Ta。、休眠期Tsl和转换期Tta，其中转换期Tta包括从活跃期转换到休眠期的时间Tac^sl和从休眠期转换到活跃期的时间Tsl — a。。一般来说，从活跃期转换到休眠期的时间Tac；id@对于从休眠期转换到活跃期的时间TslI。来说可以忽略不计，同时，从休眠期转换到活跃期的时间Tsl — a。又远小于活跃期的时间Ta。，因此，转换期Ite时间内消耗的能量可以忽略不计。经过以上分析，可得上行链路在时间T内传输L比特的信息时所消耗的能量^可以表示为:
[0052]El = Pac.Tac+Psl.Tsl(I)
[0053]式(I)中，Tac为活跃期的时间，Tsl为休眠期的时间，Pac为传感器节点处于活跃期内系统的功率，Psl为传感器节点处于休眠期内时系统的功率，同时，Tac+Tsl = T0
[0054]其中，功率Pa。包括射频端功放的功率Ppa和整个链路中电路元器件的功率P。:
[0055]Pac=PPA+Pc(2)
[0056]式(2)中，对于固定的链路，P。一般为常量，射频端功放的功率Ppa由发射功率Pt和射频端功放的电路功率Panip组成:
[0057]Ppa=VP30ip(3)
[0058]其中，
【权利要求】
1.一种无线体域网的能效传输方法，其特征在于，包括以下步骤: 根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型； 根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围；根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离； 若当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型包括以下步骤: 根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构； 根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型； 根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率；根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获得传输速率的取值范围包括以下步骤: 根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值； 根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值； 根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单位比特能量消耗模型为凸函数。
5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。
6.一种无线体域网的能效传输装置，其特征在于，包括: 模型建立模块，用于根据所选择的信道、链路和调制方式，建立无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型； 获得模块，用于根据传输时延、调制级数要求和最大发射功率的要求，获得传输速率的取值范围； 阈值计算模块，用于根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围中的最小值计算阈值距离，所述阈值距离为所述传输速率达最小值时，且系统传输能耗的增长率等于系统电路能耗的下降率时对应的传输距离； 优化模块，用于当前传输距离小于所述阈值距离时，根据所述能量消耗模型和所述传输速率的取值范围，采用优化算法求出最佳传输速率，并以所述最佳传输速率进行数据传输，以使在当前传输距离中系统能量消耗最小。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述模型建立模块包括: 确定单元，用于根据所选择的链路，确定无线体域网通信系统的单位比特能量消耗模型的结构；第一建立单元，用于根据所选择的信道，建立所述链路的路径损耗模型； 第一计算单元，用于根据所选择的调制方式和所述路径损耗模型，计算数据传输过程中系统的发射功率； 第二建立单元，用于根据所述单位比特能量消耗模型的结构和所述发射功率，建立所述单位比特能量消耗模型。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获得模块包括: 第二计算单元，用于根据传输时延和调制级数要求，计算所述传输速率的最小值； 第三计算单元，用于根据最大发射功率的要求，计算所述传输速率的最大值； 获得单元，用于根据所述最小值和所述最大值，获得所述传输速率的取值范围。
9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述单位比特能量消耗模型为凸函数。
10.如权利要求6至9任一项所述的装置，其特征在于，所述信道为CM3，所述链路为上行链路，所述调制方式为MPSK调制。`
【文档编号】H04W84/18GK103607786SQ201310535680
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月1日 优先权日:2013年11月1日
【发明者】易称福, 王莉莉, 李烨 申请人:深圳先进技术研究院