本发明专利技术公开了一种无线体域网中，在人体移动情境下保证通信可靠性的中继选择和功率控制联合优化方法，包括链路状态的监测过程、最优中继节点及发送功率的选择过程，综合考虑了节点位置、信道状态、节点运动情况等多种因素。该发明专利技术实现简单，适用场景广阔，能在保证传输可靠性的同时，最大限度的降低节点能耗，从而延长整个无线体域网的寿命。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种无线体域网中，在人体移动情境下保证通信可靠性的中继选择和功率控制联合优化方法，包括链路状态的监测过程、最优中继节点及发送功率的选择过程，综合考虑了节点位置、信道状态、节点运动情况等多种因素。该专利技术实现简单，适用场景广阔，能在保证传输可靠性的同时，最大限度的降低节点能耗，从而延长整个无线体域网的寿命。【专利说明】-种基于节点位置的中继选择及功率控制联合优化方法
本专利技术设及通信
，尤其设及一种在无线体域网中保证通信可靠性的中继 选择和功率控制方法。该方法主要用于控制无线体域网中节点的传输策略，是一种能够获 得更高可靠性W及更长网络寿命的传输机制，尤其设及无线传感器
技术介绍
无线体域网具有规模小、可扩展、近距离的特点，是W人体为中屯、的动态混合型的 网络。由于人体几何结构的限制，无线体域网中传感器节点数量比较少，相应的网络规模也 就比较小。而且，由于要采集特定的生理指标数据，传感器节点的位置是比较固定的。随着 人们对无线传感器网络所提供服务的需求越来越多，需要外置设备来实现具体功能，所W， 无线体域网需要提供多种的空中接口，W便进行网络扩展。由于无线体域网中传感器节点 布置在人体上，其通信范围是有限的，现有的无线传感器网络使用的路由算法和协议就不 再是最优的。无线体域网与传统传感器网络的最大区别在于W人体为中屯、，人体的安全性 是网络设计过程中必须考虑的因素，所W传感器节点必须是低发射功率的。另外，由于人体 表面特征、人体组织结构和周围环境的复杂性，使得体域网的信道特征相对来说比较复杂。 而且，无线体域网的拓扑结构随人体运动和节点状态而动态变化，无线体域网必须能够适 应运些变化，其网络拓扑应具有可重构性。因此，无线体域网的设计必须要处理好W下几方 面的挑战： 1)无线体域网信道的不可预测性。由于人体组织和结构的特殊性和人体运动的复 杂性，对人体进行信道建模W及针对具体场景的信道建模都存在很多困难。人体自身对无 线信道的遮挡作用将会导致很强的阴影效应，人体体表和体内的某些组织和器官对无线信 号的衰减作用非常明显，使得信号的包络发生严重波动，接收信号功率可能出现低于接收 机灵敏度的现象。另外，当人体在运动时，整个网络的拓扑结构也随着动态改变，会对无线 信道造成剧烈影响，接收信号的强度也随之变化，例如，人体两侧手臂的摆动会影响接收功 率。另外，即使是简单的慢速运动，也可能会造成信号的传输方式变化，引起快速的信号衰 落。 2)能量有限性。无线体域网的特性要求佩戴在人体或嵌入到体内的传感器应具有 非常小的尺寸，运就大大限制了传感器的计算性能W及电池容量。嵌入到体内的传感器节 点根据应用需求，往往要持续工作数月甚至数年，运段时间内，节点的电池并不能够得到更 换。运些问题对无线体域网的能效提出了极大挑战，因此，每一个无线体域网的研究者都必 须面对节点的能耗问题。 3)发送功率受限。面向医学应用的无线体域网要求在超低功耗条件下实现保证服 务质量的数据传输，同时需要解决多个体域网共存的问题。过高的发送功率伴随而来的高 电磁福射可能会导致对人体皮肤的灼伤，也会造成不同体域网之间的干扰。在IEEE 802.15.6标准中，可查阅到节点的发送功率最高建议不超过lmW(0地m)，而且应用于医疗系 统的节点功率建议为0. lmW(-10地m)。因此在低功耗条件下，同时满足高传输速率和高质量 数据传输的要求是一个重要的挑战。 4)高度可靠性的要求。面向无线体域网的不同应用的服务质量要求不同：大多数 的生理数据监控应用产生的是周期性、低速率的数据流，而一些娱乐应用是高速流的形式， 还有一些紧急情况下(如屯、率、血压等达到危险状况)的报警信息需要瞬间W最高速率和最 低误码率发出。而体域网的不稳定性和异构性为实现信号传输的可靠性带来了一系列困 难，因此需要重点研究低功耗条件下和动态网络拓扑下的无线体域网提高通信可靠性、保 证服务质量的问题。 针对上述问题，有研究者提出了解决方案。David Smith等人研究发现，标准星形 拓扑的无线体域网信道的平均中断概率超过10%，运表明单链路的无线体域网的信道并不 满足可靠性的要求。仅通过增大发送功率来提高无线体域网中数据传输的可靠性是不可取 的，过大的发送功率会对人体产生无法承受的电磁福射，同时，还会引起不同无线体域网之 间的强烈干扰问题。因此，中继协作传输机制被无线体域网广泛采用。通过空间分集，传输 的可靠性大大提高。在中继传输机制中，当传感器节点与协调器之间的无线信道由于阴影 效应等原因出现状态不稳定时，中继节点会将丢失数据包的副本通过其它链路进行传输。 有研究表明，采用中继传输机制的无线体域网，其链路中断概率远小于非中继传输链路，因 此可靠性较高。但是，中继传输机制也有其缺点：它引入了额外的开销，在数据包发送过程 中，必须使中继节点保持唤醒状态，W便对数据包进行接收和转发。如果网络内节点通信频 繁，中继节点将不得不一直唤醒，电量将快速耗尽。例如，如果采用Advanced BATMAC机制 (advanced body area network adaptive time division multiple access medium access con化ol)。在运个机制下，中继节点的能耗比普通传感器的能耗高70%，其使用寿 命远低于普通的传感器节点。同时，为了使佩戴传感器节点用户舒适，一般应尽量减少传感 器节点的数目，中继转发功能在普通传感器内部实现，运样就免于佩戴单独的中继节点。然 而具有中继功能的传感器节点能耗更高，整个无线体域网的寿命会被进一步缩短。 Liang丄等将功率控制机制应用于一个支持多跳的无线体域网中，提出了一种低 能耗的路由选择机制EERS(energy-efficient routing scheme)〇EERS基于CTP (collection tree protocol)协议，CTP协议是在无线传感器网络中被广泛采用的中继选 择协议。实验结果显示，EERS能够在网络可靠性、时延W及能耗上取得很好的平衡。然而， EERS并没有考虑在人体运动情况下，各节点在身体的不同位置，其信道表现相差各异，对位 置的考虑有助于进一步减小网络能耗，同时维持高度可靠性。
技术实现思路
本专利技术提供一种在人体移动情境下，无线体域网中的中继选择W及功率控制联合 优化传输方法，旨在于解决原有传输协议中丢包率过高、节点能耗高等问题。改进后的方法 实现简单，适用于大多数运动场景，满足了数据传输的高度无差错要求，同时延长了网络寿 命。 本专利技术提供（joint relay selection and power control scheme,JRP)，其主要思想是将传感器节点根据距 离协调器的远近W及运动加速度的大小分组，在接收节点丢包率超过阔值时，选择最佳的 中继节点W及传输功率进行调控。下面从JRP所使用的信道模型、中继模型W及核屯、算法几 个部分介绍。 1)信道模型： 无线体域网中主要的阴影效应是由于人体运动而造成的慢衰落引起的。为了区分 无线体域网中无线信道的快衰落和慢衰落，定义信道在当前时刻t下的路径损耗为： G(t)=G〇X本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于节点位置的中继选择及功率控制联合优化机制，其特征是主要过程包括：A.位于身体各部位的传感器以各功率等级发送信标帧到协调器节点；B.协调器给出应答帧，其中包含对应功率等级的信道状态；C.在数据发送过程中，实时监测丢包率情况，当丢包率低于阈值时，进行调控；D.根据调控方法的算法(JRP)，计算出最优发送路径以及对应的发送功率等级(ETPP)，从而确定出目标中继节点；E.传感器节点按照调控后的发送参数进行数据传输，重复上述过程；F.如果当前链路的丢包率在某个时间段内维持很低的状态，则说明信道状态良好，考虑降低发送等级以节省电量，降低功率的算法参考ETPP的计算值。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：孙咏梅，崔健，纪越峰，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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