基于IEEE 802.15.6的WBAN MAC协议研究与应用

摘要

无线体域网，一种以人体为中心的低功耗无线传感器网络，可广泛应用于医疗、娱乐、军事、体育锻炼等领域。目前，WBAN技术发展尙不成熟，且面临着一系列难题。由于体域网的通信信道易受人体姿态及姿态变化快慢的影响，造成一定程度的阴影效应。因此，WBAN的数据传输质量无法得到有效保障；同时，体域网中传感器节点尺寸受限，且仅能依靠能量有限的电池供电，因此在针对WBAN的研究中，必须保证节点较高的能量利用效率。考虑到以上对体域网节点特性的分析，设计高能效的MAC协议来改善WBAN中节点的生存状况至关重要，而且选择何种类型网络结构及通信方式，也会对节点的网络生存期产生一定的影响。本文针对WBAN中节点的传输特性，对数据的传输策略展开了深入地研究：
　　（1）首先介绍了IEEE802.15.6标准中对MAC层、物理层及通信信道的特征描述，并讨论了IEEE802.15.6标准中定义的数据速率、距离、频率等。此外，对IEEE802.15.4和15.6两个标准进行了分析、对比，并提出两个标准中访问机制及MAC帧格式的差异性。IEEE802.15.4是针对个域网提出的，主要应用于低数据速率、低能耗、及低成本场合；而IEEE802.15.6则是首个针对WBAN提出的国际共用标准。
　　（2）针对WBAN中节点类型的差异，导致流量需求的不同，提出一种可以应对WBAN中不同类型的流量需求的柔性MAC协议E-MAC。在E-MAC协议中，依据QoS要求进行了流量的分类，并且介绍了一种新颖的超帧结构来避免包冲突，空闲侦听和过侦听等。此外，提出了一种独特的紧急事件处理机制来确保关键数据以最低的时延和最高可靠性进行传输。并利用公式对协议的性能作了分析对比。
　　（3）在WBAN网络中，由于体内节点更换困难的特殊性，解决其能耗需求至关重要。本文提出一种针对体内节点的新型 WBAN技术方案—将 HBC技术与 MICS频段结合应用到了WBAN中；并提出了一种应用于W BAN的新型网络—即具有自适应性的基于中继的两跳星型网络及基于 TDMA的中继 M AC协议。仿真结果较好地体现了该方案对体内节点网络生存期的改善。
　　（4）考虑到穿戴式设备的应用场景，设计了人体通信场景中的MAC协议，并定制了针对该系统的信息帧结构；为了降低系统功耗，为系统设计了三种工作模型。结果表明，系统能够快速完成信息交互，其实时数据率达到200Kbps，误码率亦趋近10-8，为IEEE802.15.6标准MAC协议的实现奠定了良好基础，进一步推动WBAN技术趋向成熟。

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第一章 绪论

§1. 1研究背景

§1. 2 研究目的与意义

§1.3国内外对WBAN的研究现状

§1. 4 论文研究内容安排

第二章 WBAN与IEEE802.15.6标准研究

§2.1 WBAN中规定的无线通信频段

§2.2 IEEE802.15.6标准探究

§2.3 IEEE802.15.4与15.6标准之间差异对比

§2. 4 本章小结

第三章 WBAN自适应流量MAC协议研究

§3. 1流量MAC协议研究现状

§3. 2 E-MAC协议方案设计

§3. 3 MAC协议模型建立

§3. 4 性能分析

§3. 5 本章小结

第四章WBAN体内节点MAC协议研究

§4.1 体内节点MAC研究现状

§4.2 PHY层设计

§4. 3 基于T DMA的中继MAC策略

§4. 4 性能仿真

§4. 5 本章小结

第五章 人体通信系统MAC应用方案设计

§5. 1 系统方案设计

§5. 2软件调试分析

§5. 3系统误码率测试

§5. 4本章小结

第六章 总结与展望

§6. 1本文总结

§6. 2后续研究方向

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间主要研究成果