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摘要：建立心电监护网络的节点能效模型和传输时延模型，设计基于轻微利他因子的无私合作博弈算法，克服能效与传输时延的冲突问题。
关键词：心电监护网络；无私合作博弈；能效；时延
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0035-02
Communication Optimization of ECG Monitoring Network
QIAN Lan-mei
（College of Computer and Information Engineering， NanTong Institute of Technology， Nantong 226002，China）
Abstract： The node energy consumption model and transmission delay model of ECG monitoring network are established. The selfless cooperative game algorithm based on slight altruistic factor is designed to overcome the conflict between energy efficiency and time delay.
Key words： ECG monitoring network； Selfless cooperation game； Energy efficiency； Delay
1心电监护网络
基于体域网的心电监护网络由可佩戴监测系统或传感器服装设备实现。整个网络由终端节点、协调器节点和远程监护中心构成[1]。终端节点与心电采集电路捆绑在一起佩戴在人体身上，负责采集并传输心电信号。协调器充当汇聚节点的作用，进行数据转发，从而实现医生对病人的远程监护。为进行生理检测，医疗保健中常使用的环境传感器通常为不同类型的IEEE802.15.4健康传感器[2]。
2能效模型与时延模型
2.1能效模型
无线传感网络直接受包大小的影响。传送数据时，越长的数据包越容易发送失败，错误率越高[3]。无线传感网络中可变长度的数据包由于其复杂性而不适宜使用。因而在能效模型中我们使用定长数据包。能效模型定义如下：
[η=Ec?lEc?l h Es1-PER] （1）
其中，Ec为通信能耗，Es为起始能耗，[l]为包负载长度，h为包头长度。PER为误包率，定义如下：
[PER=1-1-BER（Length of packet in bits）] （2）
2.2时延模型
数据包的传输时延为从传感器节点到协调节点传送一个数据包所需时间[4]。包括包的传送时间、退避时间、收发机的周转时间和响应传输时间（TACK），平均传输时延为：
[T1=Tpacket Tbo TTA TIFS TACK] （3）
其中数据包的传送时间为：
[Tpacket=LPHY LMHR payload LMFRRdata] （4）
其中為LPHY为物理头部的比特数，LMHR为MAC头部的比特数，payload为数据包的大小，即帧尾比特数。为测量退避周期，必须先计算设备成功访问信道的概率Ps，计算公式为：
[Ps=a=1a=bPc1-Pca-1] （5）
其中，Pc为退避周期一结束设备访问空闲信道的概率，其计算公式为：
[Pc=1-qn-1] （6）
退避总时间Tbo为：
[Tbo=FractionalPart[R]TbopIntegerPart[R] 1 a=1a=IntegerPart[R]Tbopa] （7）
3算法设计
无私利他合作博弈（Unselfish cooperative game，UCG）以集体利益为主，充分考虑到利他因素，往往忽略对自身收益的提高。基于此，设计轻微利他式的改进无私合作博弈。
以节点能效和时延作为博弈的双方，结合轻微利他平衡算子，不仅考虑自身博弈方的受益，同时也轻微地考虑了他方收益，可用ε（0<ε<1）轻微利他系数表示，则收益函数为：
[u1=minu1 ε?ω12u12u2=minu2 ε?ω21u21] （8）
结合轻微利他因子，改进的无私合作博弈算法流程见图2。
4仿真分析
模拟一个包含5个终端节点的心电监护网络，为减小网络能耗和传输时延，节点以星型拓补结构连接。为了验证改进的无私合作博弈算法在求解心电监护通信优化问题的性能和计算效率，分别从能效和传输时延两个方面进行研究。并将其与多目标进化算法NSGA-II做比较。
4.1仿真结果与分析
图3为采用UCG算法时延和能效随载荷量的变化。由图可知，时延最小值为0.04508ms，最大值为0.04647ms；能效最小值为0，最大值为0.842。
（a）时延随载荷量的变化
（b） 能效随载荷量的变化
图4为采用NSGA-II时延和能效随载荷量的变化。由图可知，时延最小值为0.0454ms，最大值为0.04655ms；能效最小值为0，最大值为0.713。
（a）时延随载荷量的变化
（b） 能效随载荷量的变化
5 小结
主要研究基于IEEE802.15.4协议的心电监护网络：建立节点能耗模型和传输时延模型；设计基于轻微利他因子的无私合作博弈算法，克服能耗与时延的冲突问题；仿真结果表明，与NSGA-II相比较，无私合作博弈能克服目标偏好，收敛结果更好，有效实现两者之间的均衡。
参考文献：
[1] 刘毅， 宋余庆， 刘哲，等. 一种面向体域网的ECG信号小波阈值去噪法[J].计算机科学， 2014， 41（11）：175-177.
[2] 梁正友，姚玉梅.IEEE 802.15.6中能量有效的无线体域网拓扑结构优化研究[J].通信学报， 2016，37（6）：1-10.
[3] 张继，张大方，谢鲲，等.一种基于演化博弈的分簇协作路由算法[J].电子学报，2016，44（9）：2158-2163.
[4] Hyun W S， You I， Jang J S， et al. A Wireless Body Sensor Network and Its Applications： Rehearsal with a Smartphone[C]// International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing. 2016：415-418.
【通联编辑：唐一东】
关键词：心电监护网络；无私合作博弈；能效；时延
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）12-0035-02
Communication Optimization of ECG Monitoring Network
QIAN Lan-mei
（College of Computer and Information Engineering， NanTong Institute of Technology， Nantong 226002，China）
Abstract： The node energy consumption model and transmission delay model of ECG monitoring network are established. The selfless cooperative game algorithm based on slight altruistic factor is designed to overcome the conflict between energy efficiency and time delay.
Key words： ECG monitoring network； Selfless cooperation game； Energy efficiency； Delay
1心电监护网络
基于体域网的心电监护网络由可佩戴监测系统或传感器服装设备实现。整个网络由终端节点、协调器节点和远程监护中心构成[1]。终端节点与心电采集电路捆绑在一起佩戴在人体身上，负责采集并传输心电信号。协调器充当汇聚节点的作用，进行数据转发，从而实现医生对病人的远程监护。为进行生理检测，医疗保健中常使用的环境传感器通常为不同类型的IEEE802.15.4健康传感器[2]。
2能效模型与时延模型
2.1能效模型
无线传感网络直接受包大小的影响。传送数据时，越长的数据包越容易发送失败，错误率越高[3]。无线传感网络中可变长度的数据包由于其复杂性而不适宜使用。因而在能效模型中我们使用定长数据包。能效模型定义如下：
[η=Ec?lEc?l h Es1-PER] （1）
其中，Ec为通信能耗，Es为起始能耗，[l]为包负载长度，h为包头长度。PER为误包率，定义如下：
[PER=1-1-BER（Length of packet in bits）] （2）
2.2时延模型
数据包的传输时延为从传感器节点到协调节点传送一个数据包所需时间[4]。包括包的传送时间、退避时间、收发机的周转时间和响应传输时间（TACK），平均传输时延为：
[T1=Tpacket Tbo TTA TIFS TACK] （3）
其中数据包的传送时间为：
[Tpacket=LPHY LMHR payload LMFRRdata] （4）
其中為LPHY为物理头部的比特数，LMHR为MAC头部的比特数，payload为数据包的大小，即帧尾比特数。为测量退避周期，必须先计算设备成功访问信道的概率Ps，计算公式为：
[Ps=a=1a=bPc1-Pca-1] （5）
其中，Pc为退避周期一结束设备访问空闲信道的概率，其计算公式为：
[Pc=1-qn-1] （6）
退避总时间Tbo为：
[Tbo=FractionalPart[R]TbopIntegerPart[R] 1 a=1a=IntegerPart[R]Tbopa] （7）
3算法设计
无私利他合作博弈（Unselfish cooperative game，UCG）以集体利益为主，充分考虑到利他因素，往往忽略对自身收益的提高。基于此，设计轻微利他式的改进无私合作博弈。
以节点能效和时延作为博弈的双方，结合轻微利他平衡算子，不仅考虑自身博弈方的受益，同时也轻微地考虑了他方收益，可用ε（0<ε<1）轻微利他系数表示，则收益函数为：
[u1=minu1 ε?ω12u12u2=minu2 ε?ω21u21] （8）
结合轻微利他因子，改进的无私合作博弈算法流程见图2。
4仿真分析
模拟一个包含5个终端节点的心电监护网络，为减小网络能耗和传输时延，节点以星型拓补结构连接。为了验证改进的无私合作博弈算法在求解心电监护通信优化问题的性能和计算效率，分别从能效和传输时延两个方面进行研究。并将其与多目标进化算法NSGA-II做比较。
4.1仿真结果与分析
图3为采用UCG算法时延和能效随载荷量的变化。由图可知，时延最小值为0.04508ms，最大值为0.04647ms；能效最小值为0，最大值为0.842。
（a）时延随载荷量的变化
（b） 能效随载荷量的变化
图4为采用NSGA-II时延和能效随载荷量的变化。由图可知，时延最小值为0.0454ms，最大值为0.04655ms；能效最小值为0，最大值为0.713。
（a）时延随载荷量的变化
（b） 能效随载荷量的变化
5 小结
主要研究基于IEEE802.15.4协议的心电监护网络：建立节点能耗模型和传输时延模型；设计基于轻微利他因子的无私合作博弈算法，克服能耗与时延的冲突问题；仿真结果表明，与NSGA-II相比较，无私合作博弈能克服目标偏好，收敛结果更好，有效实现两者之间的均衡。
参考文献：
[1] 刘毅， 宋余庆， 刘哲，等. 一种面向体域网的ECG信号小波阈值去噪法[J].计算机科学， 2014， 41（11）：175-177.
[2] 梁正友，姚玉梅.IEEE 802.15.6中能量有效的无线体域网拓扑结构优化研究[J].通信学报， 2016，37（6）：1-10.
[3] 张继，张大方，谢鲲，等.一种基于演化博弈的分簇协作路由算法[J].电子学报，2016，44（9）：2158-2163.
[4] Hyun W S， You I， Jang J S， et al. A Wireless Body Sensor Network and Its Applications： Rehearsal with a Smartphone[C]// International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing. 2016：415-418.
【通联编辑：唐一东】