無線體域網中的中繼選擇與功率分配

武警警官學院　劉永利　徐興貴　哈　達

無線體域網中的中繼選擇與功率分配

武警警官學院劉永利徐興貴哈達

伴隨計算機和無線通信技術的更新，無線網絡已進軍各行各業，而無線體域網 提高人們生活的新生物。但是在WBAN中，節點的能耗成為了當今研究的一個重點話題。針對節點能量受限的問題，本文從功率分配的角度進行分析和研究，進而提出了一種新的功率分配策略，來實現延長WBAN的使用壽命和節能的目的。

無線體域網；協作通信；功率分配

1　引言

無線傳感器的一個重要分支就是無線體域網。如今已經廣泛應用到了醫療保健系統當中，成為了診斷程序的一部分。在WBAN中，每個智能節點都具有處理和傳輸信息到基站的能力，為診斷醫療提供輔助［1］。但是無線體域網的運用局限性強，傳輸距離短，所以每個節點都有能量局限。本文就體域網中數據傳輸和網絡壽命兩方面進行研究，通過引入協作通信網絡的功率分配策略，為WBAN的發展提供了新的思路。

WBAN中，首要考慮的問題就是網絡的壽命與節能的問題。文獻［2］中，提出了基于DF策略的中繼與分配方案，該方案也僅僅是在單個功率條件下討論這個問題，沒有進行聯合式討論，文獻［3］提出了另外一種分配方案，在多源中繼情況下，將信源功率最小化來進行中繼選擇，方案中，不僅降低了計算復雜度，發射功率也得到了良好的改善，但是該方案缺少了中繼節點位置在性能影響方面的考慮。

因此，本文提出在無線體域網中如何功率分配問題。當只有一個中繼節點參與協作時， 可利用微分方程來計算信源和中繼節點的功率大小，但如果節點過多，就很嫩求出相應的功率分配解析解。

就需要利用最優化算法——牛頓法，來實現功率分配問題。

2　功率分配

牛頓法計算步驟如下：

b） 求函數一階導數，計算出停止迭代的輸出值，否則進行跳轉。

c）通過牛頓方向，計算，得到：

求得下一輪迭代值，令k=k+1，然后跳轉第二步。

計算過程中，還要考慮λ值，所以要確定λ值，才能求解。

λ值是拉格朗日乘子在約束條件下的值，故，可將極限角度分成兩種情況，一種是中繼節點功率為0時，一種是節點擁有全部功率，故可得兩個值，即為上下界。

可以得出：

同理，由表達式（16），也可以得出另兩個的值：

可以得到關于的上界，由（4）和（5）可以得到關于的下界：

根據函數，可計算出λ的確定值，并將該值作為拉格朗日乘子：

3　仿真與分析

（1） 基于牛頓法的功率分配仿真與分析

其中，信道衰落因子為。

圖1所示，我們可知三個節點進行協作通信時，系統傳輸效率有顯著提升，且優于等功率分配方案，隨著節點的增多，系統效率也得到了改善。

圖1　兩中繼系統總功率與傳輸速率關系

（2） 多中繼節能效率

提升利用率，減少功率損耗是分配的主要目的，但如果節點過多，會不會造成浪費呢？所以我們又從效率的角度進行仿真分析。

用協作鏈路來傳輸，中斷暫時鏈路，式（7）就可寫成：

令，那么在高信噪比的條件下就求得信源的功率大小：

所以可通過下式計算系統總功率：

如若節點用等功率來進行分配，那么久可用下式進行計算求得系統總功率：

由式（13）和（14）可求得，使用新分配方案后的能源節約百分率：

但是，最優中繼節點是滿足條件的，所以式（14）就改寫成：

這里可知道，節約能量并沒有與系統容量及信道狀態相關聯，而是和節點個數和分配系數相關。

圖2　中繼節點節省功率情況

圖2是最優分配方案中節點節約能量的情況圖，我們可知，隨著節點數的增多，節點就能節約更多能量，但實際上，如果考慮用戶限制的代價問題，就不會采用很多的節點進行通信，但功率分配是可以起到節約能量的作用的。

4　總結

當下，無線體域網已得到廣泛應用，在醫學上有很重要的作用。隨著研究的深入，研究體域網中能量節約和傳輸可靠性變得非常重要，而本文則提出了一種結合協作通信與無線體域網的思路，將功率分配應用到體域網中，來提高其能量利用率和傳輸效能。

［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.

劉永利（1987—），河北承德人， 碩士，武警警官學院助教，研究方向：無線通信。