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基于动态权值的无线体域网信息能量传输协议研究
摘要
无线体域网(WirelessBodyAreaNetwork,WBAN)作为一个全新的研究范畴,
与人们的日常生活休戚相干。首先从研究学科关联的角度来讲,它与无线传感器网
络通信、无线通信技术、生命自然科学以及医疗健康等众多研究技术都有着紧密的
联系与交叉性,因此,也被广泛地应用于医用保健、军事作战、运动竞技以及娱乐
休闲等领域。由于该网络的位置特殊性(附着于人体),因此在医疗监控及疾病防
控等与人体健康相关的领域更是受到了许多重视。通过远程监测人体的各种健康指
标参数,WBAN可以实现对人体健康的监测与保障,也给各领域的多元化发展提供
了一定的理论研究基础。由于人们的健康意识逐渐增强,无线体域网正在逐渐变成
人们所关注的重点发展方向,同时,它吸引了大批的国内外学者对于无线体域网这
一课题方向的研究。
由于无线体域网的低功耗,信道环境复杂等特点,如何对传输资源进行合理有
效的分配,使其更加具有实际应用性成为了研究的一个新的方向。目前国内外的研
究学者对于优化信能传输进行了大量的研究,并取得了突出的成绩。但是对于网络
中根据实际的重要性进行优化资源分配较为缺乏。本文研究了一种优化系统传输协
议的算法,该算法考虑了无线体域网中传感器节点权重,并对资源进行了优化分配。
首先建立WBAN中多点的信息和能量传输模型,根据时分多址(TimeDivision
MultipleAccess,TDMA)的思想设计传输协议使系统总吞吐量达到最大。由于传感
器在传输网络中的重要性不同,本文提出的系统总加权吞吐量可以更好地反映系统
的信息传输的有效性,并提出了一种联合权重优化时隙分配协议(JointWeights
OptimizingTimeSlotAllocationProtocol,JWTA)。每个传感器的权重值基于层次分
析算法(BasedontheAnalyticHierarchyProcessAlgorithm,B-AHP)可以定量地得
出。当随机动态地选择几个传感器节点形成一个特定的通信网络时,可以通过该算
法定量计算当前网络中每个节点的生理权重值。该权重值可以直接反映检测传感器
收集的生理信号对人体健康的重要性。在此基础上,本文根据获得的权重重新分配
传输时隙,这也优化了传统的时间切换(TimeSwitching,TS)协议。通过MATLAB
仿真实验对所提出的优化协议进行了实践验证,并对仿真曲线进行了实验分析。本
文的主要工作和贡献如下:
(1)研究了无线体域网基于节点动态权值的能量和信息传输的系统模型。首
先,介绍了无线体域网在日常生产生活中的一般应用场景。然后,通过能量收集技
术(EnergyHarvesting,EH)实现通信过程的信能传输。针对WBAN本身具有的一
些信道特点和传输的不利因素,引入中继协作的方式更好地协助传输系统。
(2)根据无线体域网的一些应用特性,在实际的人类健康监控方案中,传输网
络中的不同传感器节点对于人体的重要程度是具有很大差异性的。针对目前研究中
大多忽略传感器节点重要性不同的这一问题,提出了一种基于层次分析法的算法来
确定传感器的权重,该算法可以通过计算网络中节点权重来定量确定节点的重要性。
(3)根据该算法所获得的权重,提出了联合权重优化时隙分配协议,并基于节
点权重重新分配其传输时隙。同时,文中提出了系统总加权吞吐量作为新的优化目
标函数,结合节点权重对该优化问题进行了求解,该协议解决了无线体域网传输过
程中节点重要性被忽略的这一问题,提升了系统传输的实际应用性。
(4)利用MATLAB仿真验证,文中比较了三种不同的传输协议,它们分别均
匀分配时隙和权重协议、单独优化时隙的传输协议和联合目的节点权重优化传输时
隙的传输协议。此外,本文分析了不同参数对系统总加权吞吐量的影响。通过三种
协议进行比较分析,本文所提出的传输协议是最优的。
关键词:
无线体域网,时间分配协议,总加权吞吐量,中继协作传输,能量收集
Keywords:
Wirelessbodyareanetwork,weightedsumthroughput,relaycooperation,energy
harvesting,optimaltimeallocationprotocol.
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