IEEE 802.15.6中能量有效的无线体域网拓扑结构研究

摘要

在过去的几十年里，我们目睹了世界许多地方的人口预期寿命稳步增长，导致老人的人数急剧上升。最近联合国报告预测，到2050年，世界上将有20亿老年人，占世界人口的22％。此外，研究表明，约89％的老年人可能无法独立生活。然而，医学研究调查发现大于65岁的老年人中，约80％的患有至少一种慢性疾病，致使许多老年人在自理方面有困难。因此，为了给老年人提供一个全面且有质量的生活，成为一个严重的社会挑战。最近，人类健康监测是一项新兴技术，无线体域网(wireless body area network，WBAN)作为典型代表，主要使用微电子、无线通信、集成电路和传感器技术。一个无线体域网通常由一系列的生理传感器和汇聚节点组成，其中，传感器主要负责感知和处理生理信号（如血氧饱和度SPO2、皮肤温度等），汇聚节点负责将这些信号传输到终端设备进行远程健康监测。在无线体域网中，传感器节点可以穿戴在体表或植入体内，由于部署完成后的传感器节点能量有限，所以为了达到节能同时延长生命周期的目的，论文主要从拓扑结构的设计和优化入手，进行了以下研究:
　　(1)提出一种无线体域网的网络拓扑结构设计方案。该方案针对IEEE802.15.6标准的2跳扩展星型拓扑结构，建立基于混合整数非线性规划的能耗成本优化模型，通过调整中继节点的位置和数量，以及数据到汇聚节点的路由，获得优化的网络拓扑结构。实验结果分析表明，与Elias提出的EAWD(energy aware WBAN design)模型相比，所提出的方案能使网络能耗减少40.5％，网络时延平均降低52.4％，网络寿命提高了一倍。
　　(2)由于长时间监测做为无线体域网的一个重要要求，我们提出了一种拓扑控制方法，即基于唤醒进程的中继节点重选策略，汇集节点识别出某个传感器的中继节点能耗到达阈值后，该策略开始运行，通过查找所有的中继节点，比较它们的剩余能量和与该传感器的距离，选择一个剩余能量最多的近距离中继节点;如果没有合适的中继节点选择或者候选中继节点的距离大于传感器与汇聚节点直连的距离，那么该传感器节点将与汇聚节点直接通信。从实验结果可以看出，WABN的网络寿命提高37.5％，传感器节点的生命周期都有了不同程度改进，平均提高了近22.6％。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．3 本文的研究内容

1．4 本文的组织结构

第二章 IEEE 802.15.6协议标准

2．1 无线体域网概述

2．1．1 无线体域网的体系结构

2．1．2 无线体域网的应用

2．2 IEEE 802.15.6网络设备及其拓扑结构

2．2．1 网络设备

2．2．2 拓扑结构

2．3 IEEE 802.15.6传输信道

2．3．1 物理层传输方式

2．3．2 信道的类型

2．4 本章小结

第三章 能量有效的无线体域网拓扑结构优化

3．1 IEEE 802.15.6的2跳扩展拓扑结构设计优化模型

3．1．1 IEEE 802.15.6的WBAN网络模型

3．1．2 信道和能耗模型

3．1．3 IEEE 802.15.6网络能耗成本优化模型

3．2 实验参数

3．3 实验分析

3．3．1 通信量的影响

3．3．2 权重参数的影响

3．3．3 网络能耗分析

3．3．4 网络时延分析

3．3．5 网络寿命分析

3．3．6 误比特率分析

3．4 本章小结

第四章 能量有效的WBAN网络拓扑控制方法设计

4．1 引言

4．2 网络拓扑控制方法设计

4．2．1 问题描述

4．2．2 拓扑控制方法的设计思想

4．2．3 拓扑控制方法的执行过程

4．3 实验分析

4．2．1 实验条件和参数

4．2．2 实验结果和分析

4．4 本章小结

第五章 结束语

5．1 全文总结

5．2 未来展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况