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无线体域网中资源分配策略研究

刘志强  
【摘要】:随着人口老龄化程度的不断增加,中老年人的健康问题越来越凸显,也逐渐地受到更多人们的关注。与此同时,越来越多的食品安全问题对人们身体健康造成了很大的威胁,这些健康问题导致了突发类疾病、心脏病、慢性疾病以及癌症致死人数的不断上升,而及时有效的早期诊断和治疗可以有效地降低疾病的致死率。随着通信技术和传感器技术的发展,无线体域网作为一种有前途的网络可以广泛地应用在远程健康监测中为人们提供长期的、实时的和无处不在的健康监测。在无线体域网的发展中,面临着以下多种挑战:1)资源受限的传感器节点;2)高服务质量(Quality of Service,QoS)需求:3)动态链路特性;4)广泛的应用场景。这些挑战是彼此相关的和相互影响的,只从单方面考虑某个挑战不能很好地提高无线体域网的性能。因此如何综合考虑无线体域网的多种挑战,并在动态链路和多种应用需求条件下,通过有效地资源分配策略设计实现服务质量的保障和系统寿命的延长,是一个值得深入探索的问题。因此,本文针对无线体域网的两种供电场景:有限电池供电和能量采集模块供电,对无线体域网中的有限资源分配策略进行系统深入的研究。本文主要工作和贡献如下:(1)提出了一种有限电池供电条件下传输速率自适应辅助的高能效和服务质量支持的资源分配策略。具体而言,首先在充分考虑无线体域网中的能量受限、动态链路特点和高服务质量需求的特点后,提出了一种服务质量优化方案来进行高能效资源优化分配。而在高动态链路的条件下,服务质量需求可能无法得到满足,这将导致资源分配优化问题无法正常求解。为此,提出了一种传输速率自适应策略,该策略可以根据服务质量的满足情况自适应调整无线节点的传输速率,进而可以辅助服务质量优化问题进行资源的优化分配。最终对比实验结果表明,在高动态链路质量条件下,该传输速率自适应辅助的资源分配策略可以保障系统的高服务质量需求,同时该策略也可以获得最好的系统能效表现。(2)提出了一种有限电池供电条件下基于缓存感知的能效和服务质量权衡的资源分配策略。具体而言,为了应对无线体域网中多种应用需求,设计了混合损失函数来综合评估系统能效的高低和服务质量的满足情况,然后通过求解混合损失最小化问题来对资源进行优化分配以满足系统对能效和服务质量的需求。为了进一步提高节点的短期服务质量,提出了一种低复杂度的缓存状态评估方法,该方法可以对各个无线节点的缓存状态进行实时评估,最终根据节点状态来决定是否重新进行资源分配以应对节点缓存中阻塞的数据包。对比实验表明,及时的资源重新分配可以有效地解决由于动态链路而导致节点缓存中数据包阻塞的问题,进而可以提高系统的性能表现。(3)提出了一种基于能量采集的高能效资源分配策略。首先,探索各个节点能量采集过程的统计特性,提出了一种联合功率和数据源速率控制策略以最大化系统吞吐量,通过优化节点的数据源速率和传输功率来实现节点的能量中性操作状态。然后根据节点实时的剩余能量和阻塞数据包情况对节点进行分类,并根据不同节点类别进行相应的时隙分配策略设计,通过对时隙的有效分配来提高系统的服务质量和资源的利用率。实验结果表明,该策略可以充分利用节点采集到的时变能量来提高系统的吞吐量和服务质量,并且时隙分配策略有效地提高了系统带宽资源的利用率。


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