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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.