运动姿态下无线体域网高能效技术研究

发布时间：2017-10-21 06:05

  本文关键词：运动姿态下无线体域网高能效技术研究

  更多相关文章： 无线体域网 媒体接入控制 关键帧 行走姿态

【摘要】：物联网技术的快速演进,正在影响着人们生活的各个方面。无线体域网作为物联网的重要分支,其在个人健康、远程医疗、单兵装备、身份识别以及航空航天领域发挥着举足轻重的作用。尤其是在个人健康方面,更加轻量化、小型化传感器设备的出现,使得将传感器植入人体体内的设想变为可能。目前,无线体域网仍处于发展初期,面临一系列技术难题的同时更蕴藏着巨大的商机,也因此吸引着大批的学者及业界人士致力于无线体域网的研究工作。由于受到传感器体积以及传感器放置位置的限制,如何高能效地使用传感器电池中的能量,是无线体域网重要研究方向之一。近年来,国内外学者从信源编码、睡眠机制、媒体接入控制算法、路由算法等角度,对传感器的能效问题进行了研究,并取得了一系列突破性的成果。但是,大部分研究都假定人体处于静止姿态(如站立或平躺),少有对人体处于运动姿态时的研究。当人体处于静止姿态时,传感器节点位置不发生变化,无线体域网的网络结构稳定,易于算法设计与实现,但算法在人体运动姿态下具有局限性。因此,深入研究人体运动姿态下的无线体域网高能效算法,具有重要的理论和实际意义。当人体处于运动姿态时,传感器节点的位置以及无线体域网的网络结构具有动态和时变特性。本文从无线体域网高能效技术中的协议设计入手,选取了人体匀速行走这一特定姿态进行研究,旨在填补领域空白,并为日后更为复杂的运动姿态研究打下基础。本文的研究思路如下:首先,将人在一定时间内匀速行走的过程看作是一段由连续帧组成的视频;然后,借鉴视频处理领域中关键帧的概念,去除这段视频的冗余信息,选取特定的静止姿态来代表人匀速行走这一过程;最后,将原有静止姿态下的协议应用于所选取的姿态。本文的主要工作如下:一、分析并仿真了现有的4种人体处于站立姿态下的高能效协议:完全保守协议、完全投机协议、最大最小协议、网络生存期最大化协议。指出了现有协议的不足之处,阐述了现有协议在人体运动姿态下具有局限性的原因。二、将关键帧的思想应用于无线体域网,旨在解决人体处于运动姿态下,网络的能效问题。推导了姿态识别函数、姿态信息矩阵以及人行走姿态下路径损耗模型,重新定义了无线体域网高能效函数,并设计了适用于人体运动姿态下的协议。三、分析了汇聚节点位置对无线体域网生存期的影响,推导出了汇聚节点的最优放置位置,并使用枚举的方法对推导出的公式进行了求解。四、提出了人体运动姿态下,无线体域网高能效模型。该模型规范了汇聚节点的位置,并加入了睡眠机制以及本文提出的协议,最大程度地提高了传感器节点的能量利用率。上述研究是对人体匀速行走这一特定姿态下无线体域网能效问题的探索,同时也为更为复杂的人体运动姿态相关问题的研究提供了参考。
【关键词】：无线体域网 媒体接入控制 关键帧 行走姿态
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 国外研究现状12-14
• 1.2.2 国内研究现状14-15
• 1.3 本文主要研究思路及安排15-17
• 第2章 无线体域网概述17-31
• 2.1 无线体域网概念及其网络拓扑结构17-18
• 2.2 IEEE 802.15.6 MAC层标准18-22
• 2.2.1 MAC层帧结构18-21
• 2.2.2 MAC层接入方式21-22
• 2.3 无线体域网信道22-24
• 2.3.1 信道特点描述23-24
• 2.3.2 体表信道模型24
• 2.4 无线体域网应用及面临的挑战24-29
• 2.4.1 无线体域网应用24-27
• 2.4.2 无线体域网面临的挑战27-29
• 2.5 本章小结29-31
• 第3章 人站立姿态下无线体域网高能效MAC协议31-41
• 3.1 无线体域网生存期定义31-32
• 3.2 高能效函数定义32-33
• 3.3 系统模型及仿真环境33-34
• 3.4 高能效MAC协议仿真分析34-40
• 3.4.1 Pure Conservative协议34-36
• 3.4.2 Pure Opportunistic协议36-37
• 3.4.3 Max-Min协议37-38
• 3.4.4 DPLM协议38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第4章 人行走姿态下无线体域网高能效MAC协议设计41-57
• 4.1 研究思路41-42
• 4.2 姿态选取假定与验证42-44
• 4.2.1 姿态选取的假定42-44
• 4.2.2 姿态选取验证44
• 4.3 姿态识别函数及姿态信息矩阵44-46
• 4.4 路径损耗计算46-47
• 4.5 高能效函数改进47
• 4.6 基于姿态信息的高能效MAC协议设计47-49
• 4.7 系统模型及仿真环境49
• 4.8 仿真结果及分析49-55
• 4.9 本章小结55-57
• 第5章 基于最优放置位置的无线体域网高能效协议设计57-69
• 5.1 汇聚节点放置位置对生存期的影响分析57-58
• 5.2 人行走姿态下无线体域网高能效模型58-59
• 5.3 汇聚节点放置位置推导59-61
• 5.4 汇聚节点最优位置的求解61-62
• 5.5 系统模型及仿真环境62
• 5.6 仿真分析62-67
• 5.7 本章小结67-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 参考文献71-77
• 导师及作者简介77-79
• 致谢79

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本文编号：1071673