發(fā)布時(shí)間：2018-05-05 16:42

  本文選題：無線體域網(wǎng) + 稀疏陣列合成　； 參考：《吉林大學(xué)》2017年碩士論文

【摘要】：無線體域網(wǎng)是集低功率傳感器于人體周圍的智能網(wǎng)絡(luò),它可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用,如個(gè)人健康監(jiān)測(cè)、娛樂應(yīng)用以及醫(yī)療輔助等。在實(shí)際應(yīng)用中,無線體域網(wǎng)需要多種傳感器以監(jiān)測(cè)不同的生理參數(shù),并且為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,往往同一個(gè)生理參數(shù)需要多個(gè)傳感器同時(shí)監(jiān)測(cè)。但是人體佩戴大量的傳感器會(huì)對(duì)身體健康造成影響,并且其中的部分傳感器會(huì)成為冗余節(jié)點(diǎn),進(jìn)而造成資源的浪費(fèi)。所以傳感器節(jié)點(diǎn)選擇問題成為了無線體域網(wǎng)中提高能量利用率的研究方向之一。近年來,國內(nèi)外學(xué)者提出利用隨機(jī)控制框架、目標(biāo)追蹤信道增益以及遺傳算法等去稀疏優(yōu)化傳感器陣列,但這些算法由于復(fù)雜度高和計(jì)算量大并不適用于低功耗的無線體域網(wǎng)。因此,深入研究一種處理無線體域網(wǎng)中傳感器陣列的稀疏性問題的高效算法,對(duì)無線體域網(wǎng)的研究與應(yīng)用具有重要的意義。由于無線體域網(wǎng)中傳感器體積小,其電池的儲(chǔ)電量也十分有限,所以引入能量收集技術(shù)是必然且有效的解決能效問題的途徑之一。近年來,國內(nèi)外學(xué)者從能量收集硬件電路、能量收集方式、無線能量收集和信息傳輸共存等方面,對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)中的信息傳輸和資源分配進(jìn)行了研究,并取得了一系列成果。但是,對(duì)于無線體域網(wǎng)中基于能量收集技術(shù)的通信仍缺乏相應(yīng)的研究。由于無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)具有異構(gòu)性、動(dòng)態(tài)性和發(fā)送功率低等特點(diǎn),基于能量收集技術(shù)的信息傳輸問題研究面臨著許多挑戰(zhàn)。因此,深入研究基于能量收集技術(shù)的無線體域網(wǎng)中的高效通信性能算法,具有非常重要的理論和實(shí)際意義。無線體域網(wǎng)中的高能效問題一直是限制無線體域網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用的因素之一。本文以解決無線體域網(wǎng)中的能效問題為目的,從在無線體域網(wǎng)中進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)選擇和采用能量收集技術(shù)出發(fā),研究高效的稀疏傳感器陣列算法和優(yōu)化發(fā)送端資源分配算法。并且提出了無線體域網(wǎng)中的無線能量和信息傳輸應(yīng)用模型,為日后無線體域網(wǎng)中的能量收集研究奠定了基礎(chǔ)。本文的研究思路如下:首先,對(duì)分布于人體全身的傳感器建立規(guī)則的幾何陣列模型,并基于凸優(yōu)化對(duì)傳感器陣列進(jìn)行稀疏合成,確保最大化陣列稀疏性的同時(shí)最小化旁瓣電平值。然后,在無線體域網(wǎng)中引入能量收集技術(shù),建立無線能量和信息傳輸模型,以及指出在無線體域網(wǎng)中研究能量收集的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。最后,針對(duì)無線體域網(wǎng)中的單點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸模型,基于能量收集技術(shù)優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率。本文主要工作如下:一、針對(duì)線性、平面?zhèn)鞲衅麝嚵邢∈韬铣?提出基于凸優(yōu)化進(jìn)行陣列稀疏合成的優(yōu)勢(shì)。建立了人體傳感器陣列模型:頭部表示成球形傳感器陣列、身體及腿部表示成不同體積的長方體傳感器陣列。二、利用凸優(yōu)化工具分別對(duì)球形及立方體傳感器陣列進(jìn)行稀疏合成,其中優(yōu)化目標(biāo)為陣列權(quán)值向量和旁瓣電平值的加權(quán)和函數(shù),且限制主瓣在固定角度范圍內(nèi)。去掉權(quán)值向量為零或接近零的傳感器節(jié)點(diǎn),得到稀疏傳感器陣列及其對(duì)應(yīng)的波束方向圖,從而解決了無線體域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)選擇問題。三、將能量收集技術(shù)引入無線體域網(wǎng),提出了三種無線能量和信息傳輸在無線體域網(wǎng)中的應(yīng)用模型,分析不同模型中無線能量和信息傳輸共存的相關(guān)理論。并且指出了基于能量收集技術(shù)無線體域網(wǎng)研究的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。四、針對(duì)無線體域網(wǎng)中的單點(diǎn)信息傳輸模型,以最小化中斷概率為優(yōu)化目標(biāo),基于能量收集技術(shù)優(yōu)化傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功率,仿真分析證明了中斷概率隨著收集能量的增加而減小。上述研究中,稀疏傳感器陣列合成從理論層面解決了無線體域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)選擇問題,為以后組建無線體域網(wǎng)提供了節(jié)點(diǎn)布置方案;研究無線能量與信息共同傳輸模型為能量收集技術(shù)在無線體域網(wǎng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:WSN is an intelligent network that sets low power sensors around the human body. It can implement a variety of applications, such as personal health monitoring, entertainment applications and medical assistance. In practical applications, WSN needs a variety of sensors to monitor different physiological parameters, and in order to ensure the accuracy of monitoring data, it is often the same. Physiological parameters need multiple sensors at the same time. However, a large number of sensors will affect the health of the body, and some of the sensors will become redundant nodes, resulting in a waste of resources. Therefore, the selection of sensor nodes has become one of the research directions for improving the utilization of energy in the wireless body area network. Over the years, scholars at home and abroad have proposed to use random control framework, target tracking channel gain and genetic algorithm to sparse optimization sensor arrays. However, these algorithms are not suitable for low power wireless body domain networks because of high complexity and high computational complexity. Therefore, a deep study on the sparsity of sensor arrays in wireless body domain networks is studied. The efficient algorithm of the problem is of great significance to the research and application of the wireless body area network. Because of the small volume of the sensor in the wireless body area network and the limited storage of the battery, the introduction of the energy collection technology is one of the necessary and effective ways to solve the energy efficiency problem. In recent years, the domestic and foreign scholars have collected the hardware circuit from the energy. Information transmission and resource allocation in wireless communication networks are studied in terms of quantity collection, wireless energy collection and information transmission, and a series of achievements have been achieved. However, there is still a lack of research on the communication based on energy collection technology in wireless body domain network. There are many challenges in the research of information transmission based on energy collection technology. Therefore, it is of great theoretical and practical significance to study the efficient communication performance algorithm in wireless body domain network based on energy collection technology. In order to solve the problem of energy efficiency in wireless body domain network, this paper aims at solving the problem of energy efficiency in WLAN. Based on the selection of sensor nodes and the energy collection technology in the wireless body domain network, the efficient sparse sensor array algorithm and the optimal sending end resource allocation algorithm are studied. The application model of wireless energy and information transmission has laid the foundation for the energy collection and research in the future wireless body domain network. The research ideas of this paper are as follows: first, a regular geometric array model is established for the sensor distributed in the body, and the sparse synthesis of the sensor array is made to ensure the maximization of the array sparsity based on convex optimization. At the same time, the sidelobe level is minimized. Then, the energy collection technology is introduced in the wireless body domain network, the wireless energy and information transmission model is established, and the challenges and opportunities for energy collection in the wireless body domain network are pointed out. Finally, the single point data transmission model in the wireless body domain network is optimized based on the energy collection technology to optimize the sensor nodes. The main work of this paper is as follows: firstly, aiming at the sparse synthesis of linear and planar sensor arrays, the advantages of convex optimization based array sparse synthesis are proposed. The body sensor array model is established: the head is expressed as a spherical sensor array, the body and the leg are expressed as a rectangular sensor array of different volumes. Two, use of convex. The optimization tools make a sparse synthesis of spherical and cube sensor arrays, in which the optimal target is weighted sum function of the array weight vector and the sidelobe level value, and the main lobe is limited in the fixed angle range. The sensor nodes with the weight vector of zero or close to zero are removed, and the sparse sensor array and its corresponding beam direction are obtained. The problem of node selection in wireless body domain network is solved. Three, the energy collection technology is introduced into the wireless body domain network, and the application model of three kinds of wireless energy and information transmission in the wireless body domain network is proposed, and the phase correlation theory of the coexistence of wireless energy and information transmission in different models is analyzed. And it is pointed out that the technology based on energy collection is no more. The challenge and opportunity of the research of line body domain network. Four. Aiming at the single point information transmission model in the wireless body area network, the optimal target is to minimize the interruption probability, and the transmission power of the sensor nodes is optimized based on the energy collection technology. The simulation analysis shows that the interruption probability decreases with the increase of the collection energy. In the above study, the sparse sensor array is used. The column synthesis solves the node selection problem in the wireless body domain network from the theoretical level, and provides the node layout scheme for the future establishment of wireless body domain network, and the research of the wireless energy and information co transmission model lays the foundation for the application of energy collection technology to the wireless body domain network.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN92;TP212

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本文編號(hào)：1848463