无线体域网MAC层若干问题研究

发布时间：2020-03-23 20:22

【摘要】：随着人口老龄化趋势的快速增长和慢性疾病对人类危害的日益严峻,移动医疗成为未来缓解医疗资源压力,降低医疗开支的重要途径,而无线体域网技术在移动医疗的发展中扮演着重要的角色。然而,作为移动医疗中数据传输的执行者,无线体域网必须要在可靠性、节能性、吞吐量等通信质量上满足严格地要求。这其中,无线体域网的MAC层起着十分重要的作用。以无线体域网为研究场景,以可靠性、网络寿命与吞吐量为主要指标,本文首先针对无线体域网MAC层的中继机制问题,研究了优化网络寿命的无线体域网中继机制。其次,针对现有功率控制方法存在的缺陷,借助MAC层帧传输的反馈信息,研究了中继协助的无线体域网功率控制方法。进一步,考虑到实际应用中可能出现的多无线体域网场景,为了保证所有共存网络的通信质量,研究了区分个体的无线体域网共存机制。具体地,本文的主要研究内容和成果如下:1.针对无线体域网MAC层的中继机制,为了提高无线体域网的网络寿命,本文提出了一种优化网络寿命的中继机制。该机制包含了中继选择算法和中继更新方法,通过均衡网络中节点的传输能耗,最大程度地提高无线体域网的网络寿命。具体地,本文首先基于IEEE 802.15.6协议规定的拓扑结构限制,综合考虑传感器节点的能耗率和电池储能,以最大化网络中最小寿命传感器节点的工作寿命为优化目标建立优化问题并针对该优化问题提出了一种低复杂度的启发式中继选择算法(LMRSS)。其次,本文设计了两种中继更新方法,即询问式更新方法与报告式更新方法来解决无线体域网中传感器节点的中继选择更新问题。再次,基于LMRSS算法和中继更新方法,本文设计了完整的中继机制,并讨论了该中继机制与IEEE 802.15.6协议的兼容性问题。随后,在仿真中首先验证了LMRSS的低时间复杂度、收敛性和算法有效性,并讨论和验证了询问与报告两种更新方法中重要门限参数对中继机制性能的影响,确定了最优的中继更新时机。最终,仿真结果表明,本文设计的中继机制相较于现有的中继机制可以有效地提高超过10%的网络寿命。2.针对无线体域网MAC层的功率控制,为了解决现有的功率控制方法存在的问题,本文提出了一种中继协助的功率控制方法。该方法通过将传感器节点的传输策略选择与发送功率计算有机地结合在一起,克服了现有功率控制方法存在的问题,在保证传输可靠性的同时,降低了中继节点的传输能耗。具体地,以无线体域网统计学信道模型为基础,本文首先通过实验仿真的测试结果指出无线体域网功率控制方法在实际应用场景中可能出现的长距离问题和中继能耗问题,并根据实验结果讨论了解决问题的思路。其次,根据实验反馈以及讨论结果,结合无线信道的预测信息,分别针对不考虑能量收集的场景和考虑能量收集的场景设计了基于数据帧收发反馈的传感器传输策略选择方法,并在传输策略选择的基础上设计了传感器节点功率计算方法,形成了中继协助的功率控制方法(RA-TPC与EHRA-TPC)。该方法在无线信道条件良好时选择直接传输策略,节省中继节点的能量;在无线信道条件恶劣时选择中继传输策略,保证传输的可靠性;并基于选择的传输策略计算相应的发送功率。这其中,EHRA-TPC利用模糊逻辑系统来决策传输策略。再次,基于实验数据讨论了RA-TPC中关键参数的设定与应用场景的关系。仿真结果证明,本文提出的方法在不考虑能量收集技术的场景中可以有效地解决功率控制方法的长距离问题,保证了无线体域网传输的可靠性并降低30%的中继节点的能耗,提高超过40%的网络寿命;而在考虑能量收集技术的场景中,本文提出的方法可以有效地提高网络中节点覆盖率,提升幅度最大可达50%。3.针对无线体域网MAC层的共存机制,为了协调多个共存体域网的数据传输和保障每个网络的通信性能,本文提出了一种区分个体的分布式综合共存机制。该机制利用共享时隙分配与调度、多信道技术以及功率控制三种手段协调共存体域网之间的传输,实现了区分个体的资源分配,综合地解决无线体域网的共存问题。具体地,本文首先建立了共享传输时隙资源分配的博弈论模型,通过数学推导验证了该博弈模型具有唯一存在的纳什均衡点;随后,为了求解该博弈模型唯一存在的纳什均衡点,设计了分布式的时隙分配算法,通过数学推导验证了该算法的有效性和收敛性。其次,围绕时隙分配算法,基于IEEE 802.15.6协议框架,设计了区分个体的综合性共存机制,该共存机制包含四个模块,分别为接入模块、时隙分配模块、活跃期调度模块以及功率控制模块。这其中,接入模块的设计基于协议中的信标帧漂移方法和多信道技术;活跃期调度模块参考协议中提出的活跃期交织技术,而功率控制模块则利用信标帧的收发情况来预测每一对共存网络的相互运动情况,并以此预测为参考,计算每一个共存体域网的最小发送功率。仿真结果证明,时隙分配模块能够实现区分个体的共享资源分配,提出的分布式算法具有快速收敛性和稳定性,并且总能够达到纳什均衡点。接着,基于模拟的医护应用场景进行仿真实验。结果表明,与IEEE 802.15.6协议提出的共存机制相比,本文提出的共存机制能够提高共存体域网高达16%的传输可靠性与25%的吞吐量并保持高水准的传输能效性。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

【参考文献】