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基于体域网的高能效MAC协议设计与研究

邓云蕾  
【摘要】:随着社会老龄化和久坐不动的生活方式,慢性疾病如心血管疾病和糖尿病,正在成为头号死因。特别是,由于这些疾病的无症状特性和间歇慢性属性,长期连续的和无处不在的实时监测人体活动的无线体域网对于监测这些病人的生理参数是至关重要的。在无线体域网中的传感器节点具有有限的电池容量,尤其对植入传感器节点不方便充电或更换电池。对这样一个能量严重受限的网络,我们期望网络是一个高能效的网络。本文将高能效问题转移为延长网络生存期的问题,也就是使无线体域网尽可能地生存得更长久。我们从媒体接入控制(MAC,medium access control)入手,通过动态地调度传感器节点接入中心节点的顺序,来延长整个无线体域网的生存期,间接地解决了高能效的问题。本人所做工作主要包括以下四个方面: 一、研究了无线体域网的两种信道模型:路径损耗模型和功率延迟模型。研究无线体域网信道的特点,并在后文的仿真实验中使用本章的路径损耗模型进行仿真实验; 二、通过对随机接入协议、最大剩余能量协议、最优信道协议、最大最小协议、DPLM(dynamic protocol for lifetime maximization)协议的研究,合理地加入无线体域网的路径损耗信道模型,将这些高能效算法应用到无线体域网中,并进行仿真实验,实验结果证明运用信道状态信息(CSI, channel state information)和剩余能量信息(REI, residual energy information)的协议更能延长了无线体域网的生存期; 三、本文对无线体域网进行马尔科夫建模,通过研究动态规划原理,找出一种适合无线体域网MAC层调度的算法,定义为死亡概率算法。通过蒙特卡洛仿真实验对这种算法进行仿真实验,证明了死亡概率算法延长了网络生存期,从而间接地达到了高能效的目的; 四、通过对死亡概率的不同定义,总结了最大剩余能量协议、最优信道协议、最大最小协议和DPLM协议。死亡概率算法是一个一般化的模型,当所提出的概率分布定义不同,就能总结最大剩余能量协议、最优信道协议、最大最小协议和DPLM协议。通过合理地定义死亡概率,可以找到适合无线体域网的高能效算法,这种概率的提出为高能效算法进一步深入的研究奠定了理论基础。 本文通过对体域网进行马尔科夫建模,将动态规划算法应用到无线体域网的MAC层,定义为死亡概率算法,达到了延长网络生存期的直接目的,间接地解决了无线体域网的高能效问题。并且算法的提出为无线体域网的后续研究奠定了理论基础。


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