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无线体域网媒体接入控制关键技术研究

袁晓铭  
【摘要】:全球人口老龄化和日益攀升的慢性病发病率加剧了医疗资源短缺、医疗成本增加等社会问题,健康监护已经成为一个不可忽视的重大问题。随着信息通信技术的发展,研究人员深入探索健康监护领域中无线医疗关键技术以缓解当前的医疗现状,无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)技术应运而生。WBAN是一种以人为中心,短距离、高可靠、低功耗的无线通信网络。它由一个中心节点和多个在体表、体内或者人体附近相互连接的传感器节点组成。WBAN通过这些传感器节点采集用户生理的、行为的及其它健康相关的信息,并将其传送到中心节点或者远程监护中心,联合远程医疗系统向用户提供健康生活或治疗建议。它改变了传统医疗监护系统的范式,并且不受地域和医疗设施条件的限制,可以在保证用户便捷舒适的条件下为用户提供持续的、实时的健康监测服务。目前,WBAN技术已经成为电子医疗监护领域的一种核心技术,它能够为健康监测提供创新性的解决方案,从而有效缓解由于医疗资源短缺而导致的就医难问题。然而,WBAN在健康监测中仍然存在许多技术和设计方面的挑战。首先,随着WBAN的普及应用,多WBAN共存场景会导致WBAN间相互干扰,从而造成医疗数据传输不完整或超时。然而,传感器节点收集到的危及生命的数据需要高可靠、低时延传输,否则会威胁到人们的生命安全并导致灾难性的后果。因此,需要深入研究多WBAN共存的干扰问题来保证信息传输的可靠性和实时性。其次,WBAN中可穿戴或植入传感器设备主要依赖于容量有限的电池供电,而传感器节点更换电池或者充电面临较大困难,因此这些节点必须采用高能效的通信机制以节省能量消耗。再者,WBAN中不同的传感节点可能产生多种类型的业务,如信息、图像或者视频等,其到达率和服务质量(Quality of Service,QoS)要求不尽相同,而且网络中存在的突发性业务对信息传输方案要求更加苛刻。媒体接入控制层(Medium Access Control,MAC)在实现节能和实时可靠的数据传输方面发挥着重要的作用,通过设计高能效和高可靠的MAC协议可以提供有效的解决方案。针对以上问题,本文以WBAN中MAC技术为核心,首先分析多网络共存场景下的动态干扰对无线体域网标准IEEE 802.15.6 MAC协议性能的影响,并在硬件平台上进行协议的实现。然后,为了减小WBAN之间和内部节点间的干扰,设计了一个混合的定向MAC协议。此外,考虑了WBAN的业务特性,设计了一个两轮预约协议。具体研究内容和贡献可概括如下:(1)针对多WBAN共存中的干扰问题,首先研究了WBAN在不同情况下的干扰情况。特别地,本文考虑了人体的动态性,分别分析了WBAN在人体直线运动和曲线运动情况下的动态干扰情况。进而,创新性地提出了一种改进的三维马尔可夫链性能分析模型,并将动态干扰引入性能分析模型中,提升了模型的实用性和可信性。基于此,本文研究并分析了节点数目、负载、运动速度和共存网络数目的变化对WBAN中不同优先级业务的吞吐量和分组接入时延的影响。评估结果证明了提出的性能分析模型的有效性和准确性。该结果有利于指导现实中WBAN网络的布局和管理以及干扰避免协议的设计。(2)针对目前绝大部分WBAN的研究都集中于理论层面分析而缺乏硬件支持验证的现状,本文完成了基于无线体域网标准IEEE 802.15.6的原型机系统的设计和硬件实现,实现了从理论到实践的跨越。本文重点介绍了设计的原型机系统的基础架构、不同模块的功能、以及不同通信过程中的信息交互过程。同时,测试了原型机系统在不同通信距离和不同负载下基于IEEE 802.15.6标准的通信功能。最后,通过大量实验,验证了原型系统满足QoS指标的基本要求,并进一步探讨了不同通信距离和负载大小对误帧率的影响,为今后WBAN中算法和协议的研究验证提供指导和硬件支撑。(3)针对WBAN中节点能量严重受限的问题,提出了一种混合的定向接入LEDA(Lifetime Extended Directional Approach)MAC协议以减少能耗和延长网络生存时间。WBAN中节点位置相对固定,可以将定向天线技术引入协议设计。LEDA MAC协议采用竞争和调度混合的MAC接入机制,用多天线竞争模式传输控制信息以满足不同优先级业务的预约需求,用单天线调度模式传输数据信息以减少能量消耗和对其他节点的干扰。这种混合设计还减少了传统定向MAC协议中“听不到”和“隐藏终端”问题的影响。同时,LEDA MAC协议考虑了突发业务的影响,自适应地为突发业务动态分配时隙,提高了网络适应性和可靠性。此外,LEDA MAC协议在超帧中设计休眠期,没有数据传输的节点进入休眠期以节省能量消耗。理论和仿真结果表明,相比于IEEE 802.15.6 MAC协议,LEDA MAC协议能明显减少能量消耗延长节点寿命,并且提高网络吞吐量,减少数据传输时延。(4)针对WBAN中业务多样性、数据到达率不一致和具有突发数据的特点,提出了一种基于令牌的两轮预约(Token-based Two-round Reservation,TTR)MAC协议。基于对WBAN中监测数据特点的分析,为周期数据设计一轮预约机制并为突发数据设计两轮预约机制来达到节能的目的。TTR MAC协议为数据到达率不同的节点分配合适的时隙数目,充分利用时隙资源,减少时隙浪费。同时,WBAN中某些业务数据会超出正常波动范围,该类紧急数据需要及时处理。TTR MAC结合节点的业务优先级和数据的紧急程度来传输数据。另外,为了提高时隙利用率和扩充网络容量,为m-周期数据设计了一个比特调度序列算法。结果表明两轮预约TTR MAC协议相比于IEEE 802.15.6 MAC协议或者其他一轮预约协议,具有更好的业务适应性,并且能显著提高时隙利用率和节省网络能量消耗。


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