技术摘要：
本发明涉及一种联合目的节点权重进行优化协作网络信息和能量传输的方法，属于无线信息传输、协作网络，无线能量收集领域。构建带有协作中继的多点信息能量传输网络模型，在中继的协助下实现源到所有目的节点的信息传输；建立系统节点间的通信模型，构建节点间信号的收  全部
背景技术：
近些年来，传感器，通信和计算机这三个方面的技术发展势头十分迅速，各种便携 式无线通信设备开始大量涌现。在伴随着无线传感器网络的快速成长的同时，无线体域网 (Wireless  Body  Area  Networks,WBAN)作为它的一个延展也在近些年来成为人们研发和 着重关注的一个领域。无线体域网通过传感器节点采集人体各种信号实时监控生理状况， 因此传输网络中的信息和能量传输问题无疑会成为该技术研究的关键。 但是，无线体域网中的传感器节点的能量是非常受限的，由于传感器节点的位置 进行更换电池也会带来很多不便。因此针对这一问题，能量收集技术(Energy  Harvesting) 成为了目前研究的一个热点。2015年X.Xu对于能量采集的原理和特点到实际应用作了较为 全面的介绍。对于无线网络的信息和能量传输问题，2013年X.Zhou提出了两种接收机制：基 于时间分配和基于功率分配的接收机制，实现了信息与能量的同时传输。此外，由于物理障 碍和无线信道的衰减等问题，2017年Z.Liu研究了如何利用中继节点帮助源节点将功率或 信息传输到目标节点。随着传输网络复杂度的提升，多点之间的通信协议也开始被广泛研 究。2014年H.Ju研究了无线传输网络中，通过优化传输协议实现多点的通信，并提高系统传 输的总吞吐量 基于上述收发模型以及通信传输协议，针对无线传输网络的资源分配优化问题， 国内外学者做了大量的研究。然而。现有的无线传输通信协议的研究多忽略了节点的重要 性的差异。事实上，如脑电、心电信号等一些采集关键生命体征的传感器节点，对人体健康 起到了至关重要的作用。因此，在进行优化通信传输过程时，更有侧重性的分配通信资源是 十分必要的。 目前国内外针对无线网络中信息与能量传输的研究未有考虑到结合传感器节点 权重进行资源分配的问题。
技术实现要素：
本发明提供一种联合目的节点权重进行优化协作网络信息和能量传输的方法，以 解决针对无线网络中信息与能量传输未有考虑到结合传感器节点权重进行资源分配的问 题。本发明联合目的节点权重进行优化网络信息和能量传输的方法，提高系统传输的有效 性，更具有实际应用价值。 本发明采取的技术方案是，包括下列步骤： (一)构建带有协作中继的多点信息能量传输网络模型，包括源节点、中继节点和 多个目的节点，在中继的协助下实现源到所有目的节点的信息传输； (二)建立系统节点间的通信模型，根据无线网络传输特性确定适合的信道模型， 7 CN 111586614 A 说　明　书 2/12 页 构建节点间信号的收发模型； (三)提出联合目的节点权重优化协作网络信息和能量传输的方法，确定目的传感 器节点权重，提出联合节点权重优化时隙分配协议； (四)优化系统加权吞吐量得出其最优解，进而得到系统的优化传输方法。 本发明所述步骤(一)中构建传输网络模型如下： 包含多个节点，分别为源节点(S)、以及K个不同类型的目的节点(D)和中继节点 (R)，并且中继节点位于源节点与目的节点之间，在所建立的系统模型中，能量可以从源节 点向中继节点和目的节点广播发送，所有节点进行能量收集之后利用其所接收到的能量进 行信息的回传，信息流为目的节点通过中继协作回传给源节点。本发明所假设的场景具有 实际的参考价值。 本发明所述步骤(二)中建立系统节点间的通信模型，具体如下： (1)建立信道模型 1)路径衰减 忽略外部电磁环境的影响，路径衰减描述的是电波在空间传播所产生的损耗，在 协作传输系统模型中，通信信道是独立的且满足无线体域网信道的路径损耗模型，所采用 的路径衰减模型PL(di)的表达式如式(1)所示： 其中，α代表由多径引起的路径损耗指数，d'代表参考距离，PL'代表参考距离d'的 路径损耗，di代表节点间的距离变量； 2)信道参数 假设所有信道都在准静态平坦衰落下，并且信道参数在一个时隙内信道系数保持 不变，不同时隙内系数各不相同，我们用 和 分别表示从源节点到中继节点的下行和上 行链路信道参数， 表示从源节点到目的节点之间的下行链路信道参数， 表示从中继 节点到目的节点之间的上行链路信道参数，采用的无线体域网信道，其一般表达式如式(2) 所示： 其中，|h|2表示信道参数，PL(di)为路径损耗，其数值单位采用分贝(dB)； (2)建立信号的收发模型 1)中继节点接收能量模型 根据所述的信道模型以及路径衰减模型，中继节点接收源节点发送的能量信号形 式如式(3)所示： 其中，yr代表中继节点接收的信号，xs为在一个时隙内S发射的基带信号，Ps为源节 点发送功率，假设xs是一个任意的复高斯信号，满足E[|x srs|]＝Ps，h 表示从源节点到中继节 点的下行链路信道参数，nr表示中继节点的噪声信号： 2)目的节点接收能量模型 8 CN 111586614 A 说　明　书 3/12 页 目的节点接收源节点发送的能量信号形式如式(4)所示： 其中， 表示第i个目的节点的接收信号， 表示从源节点到目的节点之间的下 行链路信道参数，ni表示第i个目的节点的噪声信号； 3)中继节点接收信号模型 目的节点在进行能量收集后要利用收集的能量进行上行链路的信息传递，中继节 点所接收的信号具体形式如式(5)所示： 其中， 表示中继节点从第i个目的节点接收的信号， 表示从中继节点到目的 节点之间的上行链路信道参数，xi表示第i个目的节点发射的基带信号，满足条件 nr表示中继节点处的噪声信号： 4)源节点接收信号模型 中继节点接收信息信号后，要将所接收的信号进行解码转发并最终传输给源节 点，源节点处接收的信号可以表示为： 其中， 表示源节点接收到的从中继节点转发的来自第i个目的节点的信号，xr表 示中继节点发射的基带信号，满足条件E[|xr|]＝Pr， 表示从源节点到中继节点的上行链 路信道参数，ns表示源节点处的噪声信号； (3)能量收集过程 由于硬件电路的限制，从同一信号同时完成能量的收集以及信息的获取难以实 现，为了完成信息和能量同传，采用基于时间分配的先获取能量再转发方法，由式(3)，在t0 内，中继节点进行能量收集如式(7)所示： Er＝ηt P sr 2r 0 s|h |    (7) 其中，Er表示中继节点收集的能量，ηr表示中继节点的能量收集效率，且0<ηr<1。在 信息传输阶段，中继节点在ti/2时间内用1/K的能量将第i个目的节点的信息转发至源节 点，因此，中继转发信息的功率由式(8)所示： Di收集的能量可以表示为： 其中， 表示第i个目的节点收集的能量，ηi表示第i个目的节点的能量收集效率， 且0<ηi<1，在信息传输阶段，第i个目的节点在ti/2时间内用全部能量将信息转发至源节点， 因此，Di发送信息的功率由式(10)所示： 9 CN 111586614 A 说　明　书 4/12 页 本发明所述步骤(三)中提出联合节点权重优化时隙分配协议，具体如下： (1)确定目的节点权重 对于生理权重的确值算法是基于层析分析法(B-AHP)，层次分析方法应用于人体 健康评估：首先，明确相应的评价指标体系，将人体健康状况评估问题转化为一个合理有序 的层次结构体系模型，将层次体系分为三层，分别是目标层A，准则层B和指标层C，其中，选 取人体健康状况为目标层，准则层选取身体形态，实时机能，平均代谢三个方面，指标层C则 是人体各种不同的生理参数指标； 目标层A为人体健康状况，设准则层B的参数有M个，每个准则层下的指标层C的参 数个数设置为Ni,i＝1,2,…M，具体确定权重算法如下： a.建立人体健康指标体系； b.运用专家经验和先验知识分析某一层指标相对于其上一层的重要性大小，并根 据分析结果建立判断矩阵； c.通过计算此矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，得出该层指标相对于上一 层指标的权重值，分别是： 1)计算传感器所在的准则层权重ω准则； 2)计算传感器所在的指标层权重ω指标； 3)计算该生理指标的绝对权重值ω绝对＝ω准则*ω指标； 4)根据当前选取的传感器类型和数量确定最终生理权重值ωi＝ω绝对/∑ω绝对； 通过以上所描述的算法，最终得到指标层生理参数的权重值，也就是采集该生理 参数的目的节点的权重值ωi； (2)传输过程 在无线体域网中，由附着在人体上的用来采集生理信号的传感器节点实现人体生 理健康状况的检测和监控功能，不同类型传感器所采集的生理参数从现代医学角度分析， 对人体健康产生的影响和重要性是不同的，每个传感器的重要性可以通过步骤(三)中(1) 所述的方法定量得出其权重值； 所提出的联合节点权重优化时隙分配的传输协议(JWTA)，从整个传输过程来看主 要被分成两个部分，一部分是能量收集阶段，另一部分是信息传输阶段，设定一个传输时隙 时长为T，总共包含K 1个时隙，在第一个时隙t0内进行源节点的能量广播；在t1到tK时隙内 采用TDMA的方式依次实现目的节点与源端的信息传输，首先，源在t0时隙内将能量广播给 网络中的其他所有节点，中继节点以及传感器节点要先进行能量收集并将收集到的能量储 存在节点电池中，在接下来的t1到tK时隙中每个传感器节点用收集的能量进行信息传递，采 用中继协作传输网络，即传感器用ti/2先将信息发送给中继，再由中继在剩余ti/2将信息解 码转发给源节点，整个传输协议的总传输时间限制为 与传统的时间分配协议不同的是，本发明所提出的JWTA协议考虑了不同类型传感 器所采集的生理参数对于人体健康产生的重要性不同，因此我们在给传感器节点进行分配 传输时间时，要根据当前传输网络节点类型和重要性的不同进行联合权重的时间分配。基 10 CN 111586614 A 说　明　书 5/12 页 于此，本发明所提出的传输协议以及通信过程更具有实际应用价值。 本发明所述步骤(四)中系统性能优化，具体如下： (1)吞吐量分析 在此部分分析完成整个传输过程后，源节点所得到的由每个目的节点Di所发送的 吞吐量的表达式，并得到系统加权吞吐量作为优化的目标函数，由式(5)可以进一步得出中 继节点处的信噪比如式(11)所示： 其中， 表示目的节点到中继之间信息传输的信噪比， 表示中继节点的噪声功 率，由式(6)可以进一步得出源节点处的信噪比如式(12)所示： 其中， 表示中继到源节点之间信息传输的信噪比， 表示源节点的噪声功率。 为了能够使信息成功地从目的节点传输到源节点，源节点处的信噪比应该取 中较 小者，记为 即： 因此，源节点处的信息吞吐量可以表示为： 其中，t＝[t1,t2…tK]，由于传感器节点所采集生理参数对于人体健康产生的重要 性是不同的，在单纯优化系统吞吐量的基础上我们还要进行联合生理参数权重优化，因此 这里对系统总加权吞吐量进行优化： 其中， 代表该传输系统的加权吞吐量，ωi代表该传感器节点的生理权重，当选 取了传感器节点组成某一确定传输网络N后，每个传感器节点对应的权重数值ωi采用步骤 (三)中(1)中所描述的算法(B-AHP)得到，该函数结合每个目的节点的权重系数，可以更好 地反映系统传输的有效性； (2)吞吐量优化 对所提出的联合节点权重优化时隙分配协议(JWTA)进行优化求解和仿真验证，所 提出的加权吞吐量这一概念对比传统吞吐量更能表现无线体域网中信息传输的有效性，因 此将系统总加权吞吐量作为新的目标函数，对传输系统进行优化，得到新的最优时间分配 比，如式(16)所示。 11 CN 111586614 A 说　明　书 6/12 页 式(16)中，优化的变量为分配时隙t＝[t1,t2…tK]，优化条件为所有传输时隙均为 非负数，且所有传输时隙之和不超过总的系统传输时间以及节点权重之和等于1，在同时满 足以上三个条件时对系统的加权吞吐量进行优化，求出满足限制条件下的最优解； 最优的时隙分配求解过程为：首先，根据凸优化判别方法得出 是一个关于t 的凹函数，因此，其求和函数Rsum也是关于t的凹函数，结合生理参数权重ωi的系统总加权 吞吐量 仍未改变该函数的凹凸性，证明了该优化问题存在一个最优解，使得系统总加 权吞吐量达到最大。本发明采用了凸优化工具箱解决该最优解问题，并通过仿真实验证明 了该最优解的存在性，实现了加权吞吐量的优化。 本发明的有益效果是： 本发明针对现有无线信息与能量协作传输协议中未考虑不同类型传感器节点所 采集的生理参数对人体健康的影响程度不同的问题，联合目的节点权重进行优化协作网络 信息和能量传输的方法，提出了联合节点权重优化时隙分配的中继传输协议(JWTA)。 本发明应用层次分析法定量确定人体生理参数的权重值，创造性地在传统优化吞 吐量的基础上加入了权重系数。基于时间分配的单优化时隙中继传输协议将作为本发明方 法的对比，即不考虑目的节点权重值大小，用单优化时间分配协议时隙来优化系统总传输 吞吐量，使系统总吞吐量达到最大。通过仿真结果验证可以得出本发明所提出的传输协议 相比传统方法更能有效提升系统的加权吞吐量，结合人体实际生理参数，更具有实际应用 价值。 附图说明 图1是本发明的流程图； 图2是本发明无线协作传输的系统模型示意图； 图3是本发明人体健康评估层次结构框图； 图4是本发明的JWTA传输协议示意图。