[發明專利]人體行走姿態下無線體域網生存周期的匯聚節點放置方法

有效

• 申請號: 201610070941.1
• 申請日: 2016-02-02
• 公開（公告）號: CN105722102B
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 胡封曄;王豐;劉小蘭;熊威;王珊珊;邵美琪;隋丹;王麗恒
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H04W16/18
• 分類號: H04W16/18;H04W16/22;H04W84/18
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

1.一種人體行走姿態下無線體域網生存周期的匯聚節點放置方法，其特征在于包括下列步驟：

(1)無線體域網網絡生存期最大化模型，

(1.1)初始化

初始化的過程包括：采集人體生理參數的傳感器節點按照其自身功能放置在人體的特定位置；

(1.2)傳感器節點選擇

需要采集人體的某項生理參數信息時，一個傳感器節點醒來進行信息傳遞，其它傳感器節點仍舊保持睡眠狀態，節點的選擇遵照基于姿態感知的生存期最大化協議(PA-DPLM,Posture-Aware Dynamic Protocol for Lifetime Maximization)，代表該協議的高能效函數f(e_i,c_i,p_i)如下：

其中EI_i,j為傳感器節點i在j次傳輸時的高能效系數，e_i,j為節點i當前的能量，c_i,j為節點i的信道狀態信息，p_i,j為節點i的姿態信息，e_c為傳輸鏈路所消耗的能量，N為無線體域網中傳感器節點的數量，L為無線體域網的網絡生存期；

(1.3)網絡死亡判斷

當采集某類人體生理參數的全部傳感器節點都不能進行數據采集時，則無線體域網進入死亡狀態；

(2)匯聚節點放置方法

匯聚節點根據下文闡述的最優放置方法，放置到最優位置使得無線體域網生存期最大化，步驟如下：

(2.1)路徑損耗模型

L_path(d_i)＝a·log₁₀d_i+b+N₀ [dB]

其中L_path(d_i)是節點i當前到匯聚節點的路徑損耗，a，b，N₀是給定的參數a＝-8.6,b＝-20.3,N₀＝10^-7，行走姿態下d_i的表達式如下：

其中(x_ap,y_ap,z_ap)和(x_i,y_i,z_i)分別是匯聚節點和節點i的坐標；

(2.2)功率控制模型

比特誤碼率(BER,Bit Error Rate)約束條件下的功率控制模型如下：

其中，P_i,j為節點i在j次傳輸時的功率；A＝0.25,q＝1,M₀＝10^-7；ξ為比特誤碼率約束條件；由于調制方式是二進制相移鍵控，所以M＝2；P_max是最大傳輸功率，為節點i在j次傳輸時的信道方差，表達式如下：

其中η＝1，α是路徑損耗因子，可以通過路徑損耗模型計算得到；

(2.3)能量消耗模型

在數據包的發送時間為T_d時，節點i在j次傳輸時的能量消耗模型如下：

其中是節點i在j次傳輸時消耗的能量，c_i,j為此時的信道狀態，將上述的路徑損耗模型以及功率控制模型代入上式，可以得到能量消耗模型的完全表達式：

(2.4)優化目標

優化目標是最大化無線體域網的生存期，優化目標和約束條件表示如下：

maximize L

subject to

0≤i≤N

0≤j≤L

其中e₀為傳感器節點的初始能量；X_i,j為選擇函數，若節點i在j次傳輸時被選中傳輸數據，其值為1，否則為0；max{EI_i,j}表示EI_i,j的最大值；

(2.5)最優放置方法

將(2.3)中的能量消耗模型的完全表達式代入(2.4)中的優化目標和約束條件，可以得到：

maximize L

subject to

0≤i≤N

0≤j≤L

通過求解上述優化目標，可以得到匯聚節點的最優放置位置；

(3)求解匯聚節點放置方法

采用一種近似求解算法，通過枚舉的方式來求解匯聚節點的坐標，具體算法如下：

首先，假定傳感器節點分布在1m×1m的人體軀干上，鑒于目前絕大多數生理參數傳感器的面積大于1cm×1cm，將該1m×1m平面等分成100份，這樣，該平面類似于圍棋盤，在其它傳感器節點位置固定的前提下，需要找到一個最優的位置放置匯聚節點這一棋子，也就是說，給定了匯聚節點的坐標的取值集合；

然后，將集合內的坐標值逐一代入(2.5)中的優化問題，進而得到與坐標集合一一對應的無線體域網生存期的取值集合，這種對應關系類似于三維坐標系中x-y面與z軸的關系，那么利用這種對應關系繪制一個三維曲面，使用MATLAB軟件中的surf(x,y,z)函數，該函數的輸入參數x、y、z分別代表三維坐標系中的三個坐標軸上的取值，給定這些取值后surf(x,y,z)函數就能繪制相應的三維曲面，所以，利用已有生存期的取值集合以及匯聚節點的坐標的取值集合，就可以繪制以匯聚節點的坐標為自變量的生存期三維曲面；

最后，在這一曲面上找到生存期的最大值以及該值對應的坐標，該坐標即為匯聚節點的最優放置位置。