發(fā)布時(shí)間：2020-11-01 14:01

　　 無(wú)線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network,WBAN)是一種部署在人體表面(或內(nèi)部)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),是個(gè)人健康信息采集和傳輸?shù)闹匾侄沃?為普適的健康醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供必備條件,因此受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。無(wú)線體域網(wǎng)需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間不間斷的工作,因此能耗尤其是通信能耗一直是最大的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)高能效通信,我們采用功率控制和反向散射傳輸兩種有效并且實(shí)用的低功耗傳輸技術(shù)。但是,無(wú)線體域網(wǎng)使用者經(jīng)常處于移動(dòng)狀態(tài),使用者的移動(dòng)性不但會(huì)使得無(wú)線信道產(chǎn)生十分劇烈的動(dòng)態(tài)變化,而且也會(huì)造成使用者周圍環(huán)境的射頻信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定,因此極大的影響了功率控制技術(shù)和反向散射傳輸技術(shù)的性能,給它們?cè)跓o(wú)線體域網(wǎng)中的應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們開展了如下的研究。1.研究加速度信息融合的功率控制算法。根據(jù)無(wú)線信號(hào)周期性變化的特點(diǎn),我們將反應(yīng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào)和反應(yīng)信道質(zhì)量的接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,根據(jù)分析結(jié)果研究對(duì)加速度信號(hào)和信道狀態(tài)信息進(jìn)行決策級(jí)融合的功率控制算法以提升其在信道劇烈動(dòng)態(tài)變化情況下的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,相比傳統(tǒng)的功率控制,提出的算法可以降低18%的能耗和40%的丟包率。2.研究步態(tài)信息融合的功率控制算法。由于大多數(shù)無(wú)線信道動(dòng)態(tài)變化和使用者步態(tài)周期在時(shí)間上同步。根據(jù)這一特點(diǎn),研究如何實(shí)時(shí)的跟蹤使用者的行走步態(tài)周期,以及將行走步態(tài)信息和信道狀態(tài)信息進(jìn)行決策級(jí)融合,以提升功率控制算法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,相比傳統(tǒng)的功率控制算法,提出的算法可以節(jié)約25%的能耗,并且減少65%的丟包率。3.研究基于在線學(xué)習(xí)的雙模式無(wú)線體域網(wǎng)反向散射傳輸策略。在采用反向散射傳輸技術(shù)的情況下,為了解決使用者的移動(dòng)性造成的環(huán)境RF信號(hào)強(qiáng)度不穩(wěn)定這一問(wèn)題,研究將環(huán)境反向散射模式和固定反向散射模式相結(jié)合,并且綜合考慮系統(tǒng)狀態(tài)信息的傳輸策略,利用約束馬爾科夫決策過(guò)程對(duì)問(wèn)題進(jìn)行建模�？紤]到在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法獲取系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的概率統(tǒng)計(jì)信息這一問(wèn)題,研究利用在線學(xué)習(xí)算法在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算最優(yōu)的傳輸策略。仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明,利用在線學(xué)習(xí)算法可以獲得和最優(yōu)的馬爾科夫決策過(guò)程得到的策略相近的性能,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于不利用系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)信息的固定散射模式優(yōu)先機(jī)制。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP212.9;TN929.5
【部分圖文】：

作為一個(gè)典型的使用模式，一個(gè)無(wú)線體域網(wǎng)應(yīng)包含一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和若干集可以進(jìn)行生理信號(hào)采集的傳感器和無(wú)線傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)通常星形結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，它們之間進(jìn)行 2 到 3 米的短距離無(wú)線傳輸（表 1.1 列出較常用的體域網(wǎng)傳輸技術(shù)）。以醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用為例，傳感器采集心電（E據(jù)以監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)、采集腦電（EEG）數(shù)據(jù)以監(jiān)測(cè)大腦電活動(dòng)、采集呼吸數(shù)監(jiān)測(cè)呼吸系統(tǒng)，采集加速度（Acceleration）數(shù)據(jù)進(jìn)行記步、姿態(tài)識(shí)別或意外監(jiān)測(cè)（Tong 等.，2013），另外還可以采集血壓、血氧和體溫等信息；這些體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)則通過(guò)蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)、或者 Wi-Fi 將信號(hào)到遠(yuǎn)端的醫(yī)院或醫(yī)療中心服務(wù)器（He 等.，2013）。圖 1.1 給出了一個(gè)典型的體域網(wǎng)示意圖。有關(guān) WBAN 更詳細(xì)的介紹可參考 Cavallari 等（2014）ovassaghi 等（2014）的文獻(xiàn)。

論文內(nèi)容的邏輯組織圖

射功率盡量保持在一個(gè)合適的范圍內(nèi)，即保證無(wú)線傳輸?shù)馁|(zhì)量也滿足無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)低功耗的要求。大多數(shù)的無(wú)線體域網(wǎng)功率控制算法采用了一種閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)（如圖2.1）。首先，發(fā)送端根據(jù)已經(jīng)計(jì)算好的發(fā)射功率等級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)包給接收端。如果是首次發(fā)包，通常使用最大的發(fā)射功率。然后，接收端測(cè)量接收數(shù)據(jù)包的RSSI。如果發(fā)生了丟包，RSSI則被認(rèn)為是最小值（通常為-100dBm）。接下來(lái)，根據(jù)收集的RSSI對(duì)當(dāng)前信道質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，并計(jì)算下一輪傳輸?shù)臒o(wú)線發(fā)射功率，再將其通過(guò)確認(rèn)幀反饋給發(fā)送端。通過(guò)以上步驟不斷的循環(huán)，發(fā)射功率就可以實(shí)時(shí)的根據(jù)信道變化而進(jìn)行調(diào)整。功率控制算法的關(guān)鍵在對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行評(píng)估，文獻(xiàn)（Kim等.
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本文編號(hào)：2865641