基于人体姿态变化的无线体域网功率控制算法研究

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随着穿戴式设备的不断涌现,无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)应用已经渗透到各个领域,从方方面面改变着人们的日常生活。医疗保健和健康监测服务作为WBAN的一种重要应用,一直受到全社会的高度关注。WBAN是一种以人体为中心的网络,它利用穿戴式或植入式的无线终端设备采集人体生理参数、感知动作或周围环境等信息,通过无线网络连接至健康服务应用系统,以形成科学的诊断与及时的救护。  当前WBAN技术仍处在初级发展阶段,面临诸多关键技术挑战,其中能耗是制约WBAN发展的重要因素之一。以传统的无线传感器网络相比,无线体域网有其自身的特点与需求。WBAN节点采用电池供电,能量高度受限,再加上在WBAN环境中,节点的发射功率通常较低,对信道衰落和干扰十分敏感,而人体经常性地移动和改变身体姿态,会带来信号传输过程中极大的路径损耗。传感器节点绝大部分能量都消耗在无线通信模块上,因此,合理调整无线体域网中节点的传输功率是提高能量有效性的有效途径之一。本文主要围绕如何提高无线体域网通信能量有效性展开研究和讨论,从功率控制的角度,提出了基于人体姿态变化的能耗节约方案。  本文主要工作内容总结如下:  (1)结合IEEE802.15.6信道模型推导了人体阴影衰落信道下的误码率公式,并与加性高斯白噪声信道进行了仿真对比。  (2)针对WBAN体上无线链路动态时变性的特点,引入了网络控制思想,结合工业控制领域广泛使用的比例-积分-微分控制器和神经网络知识,提出了适用于WBAN的轻量级、动态功率控制机制。  (3)搭建了WBAN原型系统,用于验证WBAN无线链路的动态时变性、WBAN功率控制算法的可实现性与有效性。利用该实验平台,实测并总结分析了不同身体姿态场景下接受信号强度与三轴加速度的变化规律。实验结果显示本文功率控制策略是可行且有效的,它能在保证数据可靠传输的前提下,降低传感器节点的平均能量消耗。
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