无线体域网中高可靠数据传输方法研究

摘要

无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）在远程医疗、安全监护、文体娱乐等方面具有广阔的应用前景，受到了众多科研机构和高新技术企业高度重视。WBAN主要围绕人体来部署，应用也与人体息息相关，因而如何提高传输过程的可靠性成为了尤为重要的问题。无线体域网与传统传感器网络在能量资源、移动性、信道特性、数据类型等方面具有诸多差异，不能直接使用无线传感网中现有的一些解决方法。当前,在缺乏这方面研究的情况下，专门针对无线体域网进行可靠传输方法的研究具有迫切性和重要性。
　　导致无线体域网可靠性下降的因素主要有：
　　1）共享信道上节点频繁冲突；
　　2）遭受邻近网络严重干扰；
　　3）无线链路状况随人体活动而极不稳定。
　　为解决上述问题，本文充分考虑WBAN的信道特点，在相关研究理论基础上，分别以信道接入的退避机制、干扰缓解机制和中继节点决策机制为切入点，提出了三种保障数据可靠传输的方法，并进行了仿真验证和对比讨论。现将本文主要工作具体列举如下：
　　（1）针对无线体域网内传统退避算法的争用窗口波动性大的缺陷，本文采用了斐波那契数列退避算法，面向不饱和状态的带优先级无线体域网深入研究。通过建立退避状态的马尔科夫链模型分析了算法的性能，并在同构与异构两种场景下与IEEE802.15.6标准中采用可变二进制指数退避算法的介质访问控制（MediaAccess Control，MAC）协议进行实验对比，仿真结果显示本文的方法带来了更高的归一化吞吐量、降低了平均帧服务时延和包平均能耗，减少了碰撞造成的传输失败，使无线体域网中不同优先级数据可以更可靠的传输。
　　（2）针对无线体域网在一定区域聚集时发生严重网间干扰的问题，本文提出了基于预约的干扰缓解方法。通过建立邻居表和适当的信道切换机制，合理的调度各无线体域网的重新传输，同时加入信道空闲检测来避免邻居表不完整时的碰撞。对信道上无线体域网最大容纳数量、重调度时延、吞吐量等性能作出了分析。最后通过仿真实验与 IEEE802.15.4信标模式和带信标退避的时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）方案进行对比，结果表明本文的方法很好的改善了冲突发生概率、吞吐量和能耗，能有效缓解邻居无线体域网干扰对数据传输可靠性的影响。
　　（3）上述研究主要基于单跳星型拓扑结构，而当信道链路损失严重，采用IEEE802.15.6中的扩展两跳星型拓扑时必然存在最佳中继选择问题。本文提出了基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的中继节点选择方法：首先，在候选中继发现阶段构造候选中继表；接着以高可靠传输这一目标及中间层各决策因子建立层次结构，利用正反矩阵，采用特征向量法计算权重向量，全局权重最大的候选者选为最佳中继节点；考虑到变化过程中节点与协调器中断的直连链路可能再次恢复，该方法还进一步添加了直连恢复阶段。仿真实验设置了四种不同的应用场景，本文方法与IEEE802.15.6协议相比，节点能耗及时延均大幅降低，并且直到链路损失率低于60%之前对于所有场景都可以保障高于90%的包接受率，保障了链路不稳定时的可靠传输。
　　综上所述，本文的提出的方法符合无线体域网特性和需求，有效提高了传输可靠性。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外相关研究

1.3 研究内容及论文结构

2.1 无线体域网简介

2.2 无线体域网数据传输概述

2.3 无线体域网可靠传输面临的挑战

2.4 无线体域网中MAC协议的发展方向

2.5 本章小结

3.1 相关研究

3.2 面向带优先级无线体域网的斐波那契数列退避算法

3.3 仿真分析

3.4 本章小结

4.1 相关研究

4.2 基于预约的无线体域网网间干扰缓解方法

4.3 仿真分析

4.4 本章小结

5.1 相关研究

5.2 基于层次分析法的无线体域网中继节点决策方法

5.3 仿真分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 未来研究展望

参考文献

在学研究成果

致谢