【摘要】：體域網(wǎng)由附著在人體體表、體內或周邊環(huán)境的若干傳感器節(jié)點組成,能夠實時采集人體各項生理指標數(shù)據(jù),并進行分析計算和傳輸。在醫(yī)療、體育賽場等場景中,每個使用者及周邊的傳感器節(jié)點構成一個體域網(wǎng),多個使用者則構成一個更大規(guī)模的體域網(wǎng)。為使體域網(wǎng)內各節(jié)點間通信有效進行,應研究體域網(wǎng)的信道分配協(xié)議,主要涉及通信效率、通信公平性、功率控制等問題。此外,動作識別技術在醫(yī)療和體育領域也有廣泛應用,微機電系統(tǒng)的發(fā)展提高了采用體域網(wǎng)進行動作識別的精度,降低了對環(huán)境的要求。以體域網(wǎng)為研究對象,針對節(jié)點信道分配協(xié)議的效率問題、公平性問題、功耗問題進行深入研究,同時采用微機電系統(tǒng)設計了基于體域網(wǎng)的姿態(tài)識別方法,主要工作如下：針對多信道環(huán)境中節(jié)點通信的信道分配效率問題,將博弈論引入信道分配算法中,提出了基于完全且完美信息動態(tài)博弈的信道分配算法。假定各節(jié)點均為理性并且貪婪,在節(jié)點選擇信道時,采用逆向歸納方法得出全部其他節(jié)點的選擇策略,以此為基礎計算得到當前節(jié)點自身的優(yōu)化選擇策略,最終實現(xiàn)網(wǎng)絡中信道的高效動態(tài)分配,提高了網(wǎng)絡吞吐率,降低了丟包率和傳輸時延。針對節(jié)點獲取信道資源的公平性問題,設計了基于信道占用率的自適應公平性算法。根據(jù)節(jié)點對通信歷史及當前信道占用率與理想信道占用率之間的關系,將通信情況分為四種類別,再結合當前網(wǎng)絡負載情況,動態(tài)設置競爭窗口值。該算法在改善吞吐率指標的同時,顯著提高了節(jié)點信道分配公平性,避免了饑餓節(jié)點出現(xiàn),在各種負載條件下表現(xiàn)良好。針對體域網(wǎng)節(jié)點發(fā)送信息的功耗問題,提出一種基于功率控制的媒體訪問控制(MAC, Media Access Control)層信道分配算法,將不同功率值分配到不同信道,通信節(jié)點對根據(jù)距離選擇數(shù)據(jù)包發(fā)送功率,進而選擇該功率對應的信道。該方法有效降低了沖突域范圍,減少了非對稱連接造成的通信沖突,提高了網(wǎng)絡總吞吐率。同時,該方法也降低了網(wǎng)絡能耗,減小了節(jié)點發(fā)熱,避免使人體受到灼傷。針對體域網(wǎng)中的姿態(tài)識別問題,設計了姿態(tài)識別節(jié)點,采用自適應擴展卡爾曼濾波方法進行姿態(tài)識別,利用節(jié)點的加速度計和電子羅盤數(shù)據(jù)對陀螺儀輸出角速度進行補償,對狀態(tài)變量進行迭代計算,減少了系統(tǒng)誤差影響。實驗表明該方法提高了姿態(tài)識別的有效性。
[Abstract]:Body area network is composed of several sensor nodes attached to human body surface, body or surrounding environment. It can collect human body physiological index data in real time, analyze, calculate and transmit. In the medical and sports scene, each user and the surrounding sensor nodes form an individual domain network, while multiple users form a larger body area network. In order to make the communication between nodes in the body area network effective, we should study the channel assignment protocol of the body area network, which mainly involves communication efficiency, communication fairness, power control and so on. In addition, motion recognition technology is also widely used in medical and sports fields. With the development of MEMS, the accuracy of motion recognition using body area network is improved, and the requirement of environment is reduced. Taking the body area network as the research object, the efficiency, fairness and power consumption of the node channel assignment protocol are studied deeply. At the same time, the attitude recognition method based on the body area network is designed by using the micro electromechanical system (MEMS). The main work is as follows: aiming at the channel allocation efficiency of node communication in multi-channel environment, this paper introduces game theory into channel allocation algorithm, and proposes a channel allocation algorithm based on complete and perfect information dynamic game. Assuming that each node is rational and greedy, when the node selects the channel, the selection strategy of all other nodes is obtained by using the reverse induction method, and the optimal selection strategy of the current node itself is calculated based on this method. Finally, the efficient and dynamic channel allocation in the network is realized, which improves the throughput of the network and reduces the packet loss rate and transmission delay. An adaptive fairness algorithm based on channel occupancy is designed to solve the fairness problem. According to the history of node pair communication and the relationship between the current channel occupancy rate and the ideal channel occupancy rate, the communication situation is divided into four categories. Combining with the current network load, the contention window value is dynamically set. The algorithm not only improves the throughput index, but also significantly improves the fairness of the node channel allocation, avoids the emergence of hungry nodes, and performs well under various load conditions. In order to solve the problem of power consumption, a power control based media access control (MAC, Media Access Control) channel allocation algorithm is proposed, which allocates different power values to different channels. The communication node pair selects the transmission power of the packet according to the distance and then selects the channel corresponding to the power. This method can effectively reduce the range of conflict domain, reduce the communication conflicts caused by asymmetric connections, and improve the total throughput of the network. At the same time, this method also reduces the network energy consumption, reduces the node heat, and avoids the human body being burned. Aiming at the problem of attitude recognition in the body area network, the attitude recognition node is designed. The adaptive extended Kalman filter is used to recognize the attitude, and the accelerometer of the node and the electronic compass data are used to compensate the output angular velocity of the gyroscope. The state variables are calculated iteratively to reduce the influence of system error. Experiments show that this method improves the effectiveness of attitude recognition.
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.44;TN929.5

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