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1、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 Transmission Power Co
2、ntrol and Scheduling Scheme in Wireless Body Area Networks WANG Zhi-jun , HU Feng-ye, YIN Ying-qi and LIU Xiao-lan (College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun , China) Abstract: Wireless body area network (WBAN) are expecting to play an essential role for healthcare, sports, l
3、eisure, and all the aspect of our daily life. The purpose of this paper is to solve two key issues of WBAN. The first issue is which sensor should transmit during each time slot in order to maximize the lifetime as well as maintaining fairness performance. The second issue is which transmit power le
4、vel should be chosen for the purpose of energy saving without degrading reliability. For the first problem, a distributed scheduling scheme is proposed to balance lifetime and fairness for WBAN. For the second issue, we present a modified transmission power control scheme to adjust transmit power ad
5、aptively. Simulation results are presented to demonstrated efficacy of the proposed schemes. Key words: wireless body area network (WBAN); lifetime; fairness; power control; scheduling scheme. 1 引言 无线体域网(WBAN, wireless body area network)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(Access Point)节点和若干 可以采样、处理
6、、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，IEEE 802.15.6 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 基金项目：国家自然科学基金资助项目(，). Foundation Items: National Natural Science Foundation of China (，). 的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34，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
7、化问题的 研究可以追溯到无线传感器网络(WSN, wireless sensor networks)。CHEN 等人提出动态传输调度方 案(DPLM，dynamic transmission scheduling scheme) 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
8、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：
9、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
10、 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, channel state information)和剩余能量信息(REI, residual energy information)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 IEEE 802.15
11、.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 的传感器节点和一个汇聚节点 AP。网络采用 in E 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
12、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。 IEEE 802.15.6 TG6 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 1 2.4GHz 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 数据速率(bps)121.4242.9485.7971.4 Rxsens (dBm)-95-93-90-86 0dBm
13、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 总能量为 (1) txiconicon i I EPTP v 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
14、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：、TL和 TH。 u d 系数和分别应用于较好的信道和较差的信道。 u d 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 滑动平均保持在最低阈值 TL和最高阈值 TH之间。R 在 XIAO 等人的方案中，当信道状况变差使得 RR TH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
15、况，在信道的波动中刚刚达到R 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的值R 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(RSSI 的指数R 加权平均)。 2、如果，则更新的值 _ RRR 。 _ (1) d
16、d RRR 3、如果，则更新的值 _ RRR 。 _ (1) uu RRR 4、若，更新发送功率 _ L RT (max)/ 2transpowertranspowerpower 5、若，更新发送功率 _ H RT (min)/ 2transpowertranspowerpower 6、若，发送功率保持不变。 _ LH TRT 如表 2 的功率控制算法所示：如果降低到R 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，当的值高于最高阈值 TH，下个时隙的发R 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，参数和 u 均可以根据实际应用的要求来调整达到能效和 d 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
