基于多信道技术的无线体域网MAC协议设计

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无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)是一种以人体为中心基于射频的无线通信网络技术,具有高可靠与低功耗的特点。通过将传感器节点置于体内、体表或者人体周围可以构成一个连续监测人体生理或环境信号的无线网络,实现节点与远程设备之间的数据交换,通过将其应用在医疗领域可以实现对病人体征信息的采集并进行远程实时监护。显然,网络中各种应用的实现与数据、图片与视频等多媒体内容的实时、可靠与高效传输密不可分。鉴于WBAN工作环境及场景的特殊性,使其极易遭受邻近网络和其他无线信号的干扰。这将导致部分数据丢失或传输超时,并造成无法预估的后果。另外,WBAN中各节点皆通过能量有限的电池供电,然而体内的传感器节点并不允许电池的频繁更换。同时,WBAN中部署在不同位置的传感器节点会产生多种类型的业务,各业务对服务质量的要求并不是完全相同。此外,业务的突发性对网络的性能有着更严苛的要求。针对以上问题,本论文从以下两个方面着手研究:一方面,为缓解WBAN中各节点因使用相同或相近的频谱资源带来的干扰问题,本文针对WBAN应用领域与业务需求的特点,设计了一种可以缓解干扰的多信道MAC协议(Interference Mitigation MAC Protocol,IMMAC),内容包括:(1)根据信道状况,将信道进行优良划分并提出信道状态解析方案;(2)鉴于业务优先级不同所造成的不公平性设计一种更高效的信道选取机制;(3)引入信道切换概率参数,提出有效的信道切换策略。在此基础上,对整个通信过程建立了理论分析框架,对网络归一化吞吐量和时延进行了理论推导。最后对以上两个性能指标仿真评估,并最终证明IMMAC协议可以有效的缓解干扰并提升网络的整体性能。另一方面,由于WBAN的网络拓扑动态变化性和无线信道状况的多变性,单从用户本身的优先级来决定各节点传输数据的顺序并不总能得到较高的能量利用效率和传输效率。本文提出了基于高效传输机制的多信道MAC协议(MAC Protocol towards Energy Efficiency and Low Interference,EIMAC),综合考虑节点的剩余能量、业务优先级和业务量,引入一个新的紧急因子,根据紧急因子的大小来决定各节点传输数据的顺序即对各节点优先级进行自适应调整。在此基础上,对整个协议建立了理论分析框架,对网络归一化吞吐量、时延和能耗进行了理论推导。最后对三个性能指标仿真评估,并最终证明EIMAC协议可以提升节点的能量利用效率和传输效率。
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