發(fā)布時(shí)間：2020-03-23 20:22

【摘要】：隨著人口老齡化趨勢的快速增長和慢性疾病對人類危害的日益嚴(yán)峻,移動(dòng)醫(yī)療成為未來緩解醫(yī)療資源壓力,降低醫(yī)療開支的重要途徑,而無線體域網(wǎng)技術(shù)在移動(dòng)醫(yī)療的發(fā)展中扮演著重要的角色。然而,作為移動(dòng)醫(yī)療中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?zhí)行者,無線體域網(wǎng)必須要在可靠性、節(jié)能性、吞吐量等通信質(zhì)量上滿足嚴(yán)格地要求。這其中,無線體域網(wǎng)的MAC層起著十分重要的作用。以無線體域網(wǎng)為研究場景,以可靠性、網(wǎng)絡(luò)壽命與吞吐量為主要指標(biāo),本文首先針對無線體域網(wǎng)MAC層的中繼機(jī)制問題,研究了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命的無線體域網(wǎng)中繼機(jī)制。其次,針對現(xiàn)有功率控制方法存在的缺陷,借助MAC層幀傳輸?shù)姆答佇畔?研究了中繼協(xié)助的無線體域網(wǎng)功率控制方法。進(jìn)一步,考慮到實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的多無線體域網(wǎng)場景,為了保證所有共存網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量,研究了區(qū)分個(gè)體的無線體域網(wǎng)共存機(jī)制。具體地,本文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1.針對無線體域網(wǎng)MAC層的中繼機(jī)制,為了提高無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命,本文提出了一種優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命的中繼機(jī)制。該機(jī)制包含了中繼選擇算法和中繼更新方法,通過均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗,最大程度地提高無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。具體地,本文首先基于IEEE 802.15.6協(xié)議規(guī)定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)限制,綜合考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗率和電池儲能,以最大化網(wǎng)絡(luò)中最小壽命傳感器節(jié)點(diǎn)的工作壽命為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化問題并針對該優(yōu)化問題提出了一種低復(fù)雜度的啟發(fā)式中繼選擇算法(LMRSS)。其次,本文設(shè)計(jì)了兩種中繼更新方法,即詢問式更新方法與報(bào)告式更新方法來解決無線體域網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的中繼選擇更新問題。再次,基于LMRSS算法和中繼更新方法,本文設(shè)計(jì)了完整的中繼機(jī)制,并討論了該中繼機(jī)制與IEEE 802.15.6協(xié)議的兼容性問題。隨后,在仿真中首先驗(yàn)證了LMRSS的低時(shí)間復(fù)雜度、收斂性和算法有效性,并討論和驗(yàn)證了詢問與報(bào)告兩種更新方法中重要門限參數(shù)對中繼機(jī)制性能的影響,確定了最優(yōu)的中繼更新時(shí)機(jī)。最終,仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計(jì)的中繼機(jī)制相較于現(xiàn)有的中繼機(jī)制可以有效地提高超過10%的網(wǎng)絡(luò)壽命。2.針對無線體域網(wǎng)MAC層的功率控制,為了解決現(xiàn)有的功率控制方法存在的問題,本文提出了一種中繼協(xié)助的功率控制方法。該方法通過將傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸策略選擇與發(fā)送功率計(jì)算有機(jī)地結(jié)合在一起,克服了現(xiàn)有功率控制方法存在的問題,在保證傳輸可靠性的同時(shí),降低了中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸能耗。具體地,以無線體域網(wǎng)統(tǒng)計(jì)學(xué)信道模型為基礎(chǔ),本文首先通過實(shí)驗(yàn)仿真的測試結(jié)果指出無線體域網(wǎng)功率控制方法在實(shí)際應(yīng)用場景中可能出現(xiàn)的長距離問題和中繼能耗問題,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論了解決問題的思路。其次,根據(jù)實(shí)驗(yàn)反饋以及討論結(jié)果,結(jié)合無線信道的預(yù)測信息,分別針對不考慮能量收集的場景和考慮能量收集的場景設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)幀收發(fā)反饋的傳感器傳輸策略選擇方法,并在傳輸策略選擇的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了傳感器節(jié)點(diǎn)功率計(jì)算方法,形成了中繼協(xié)助的功率控制方法(RA-TPC與EHRA-TPC)。該方法在無線信道條件良好時(shí)選擇直接傳輸策略,節(jié)省中繼節(jié)點(diǎn)的能量;在無線信道條件惡劣時(shí)選擇中繼傳輸策略,保證傳輸?shù)目煽啃?并基于選擇的傳輸策略計(jì)算相應(yīng)的發(fā)送功率。這其中,EHRA-TPC利用模糊邏輯系統(tǒng)來決策傳輸策略。再次,基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)討論了RA-TPC中關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)定與應(yīng)用場景的關(guān)系。仿真結(jié)果證明,本文提出的方法在不考慮能量收集技術(shù)的場景中可以有效地解決功率控制方法的長距離問題,保證了無線體域網(wǎng)傳輸?shù)目煽啃圆⒔档?0%的中繼節(jié)點(diǎn)的能耗,提高超過40%的網(wǎng)絡(luò)壽命;而在考慮能量收集技術(shù)的場景中,本文提出的方法可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)覆蓋率,提升幅度最大可達(dá)50%。3.針對無線體域網(wǎng)MAC層的共存機(jī)制,為了協(xié)調(diào)多個(gè)共存體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和保障每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信性能,本文提出了一種區(qū)分個(gè)體的分布式綜合共存機(jī)制。該機(jī)制利用共享時(shí)隙分配與調(diào)度、多信道技術(shù)以及功率控制三種手段協(xié)調(diào)共存體域網(wǎng)之間的傳輸,實(shí)現(xiàn)了區(qū)分個(gè)體的資源分配,綜合地解決無線體域網(wǎng)的共存問題。具體地,本文首先建立了共享傳輸時(shí)隙資源分配的博弈論模型,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)驗(yàn)證了該博弈模型具有唯一存在的納什均衡點(diǎn);隨后,為了求解該博弈模型唯一存在的納什均衡點(diǎn),設(shè)計(jì)了分布式的時(shí)隙分配算法,通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)驗(yàn)證了該算法的有效性和收斂性。其次,圍繞時(shí)隙分配算法,基于IEEE 802.15.6協(xié)議框架,設(shè)計(jì)了區(qū)分個(gè)體的綜合性共存機(jī)制,該共存機(jī)制包含四個(gè)模塊,分別為接入模塊、時(shí)隙分配模塊、活躍期調(diào)度模塊以及功率控制模塊。這其中,接入模塊的設(shè)計(jì)基于協(xié)議中的信標(biāo)幀漂移方法和多信道技術(shù);活躍期調(diào)度模塊參考協(xié)議中提出的活躍期交織技術(shù),而功率控制模塊則利用信標(biāo)幀的收發(fā)情況來預(yù)測每一對共存網(wǎng)絡(luò)的相互運(yùn)動(dòng)情況,并以此預(yù)測為參考,計(jì)算每一個(gè)共存體域網(wǎng)的最小發(fā)送功率。仿真結(jié)果證明,時(shí)隙分配模塊能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)分個(gè)體的共享資源分配,提出的分布式算法具有快速收斂性和穩(wěn)定性,并且總能夠達(dá)到納什均衡點(diǎn)。接著,基于模擬的醫(yī)護(hù)應(yīng)用場景進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,與IEEE 802.15.6協(xié)議提出的共存機(jī)制相比,本文提出的共存機(jī)制能夠提高共存體域網(wǎng)高達(dá)16%的傳輸可靠性與25%的吞吐量并保持高水準(zhǔn)的傳輸能效性。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN92

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2597218