基于能量采集供电的无线体域网资源分配策略研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:UFO_2113
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无线体域网是一种以人体为中心、由分布在人体上的传感器组成的低功耗的无线通信网络,它广泛应用于医疗健康、设备检测、娱乐和体育训练等领域。在这诸多的应用中,远程电子医疗具有着更为迫切的需求和重大的研究意义,它能够在明显改善医疗服务质量的同时大大降低医疗服务的成本。在远程电子医疗系统中,由于部分生理信号传感器是需要植入人体内部的,很难或者根本没法轻易更换电池,因此从用户易用性的角度和更换电池的复杂性来说,如何提供一个易用的、可持续的医疗监护服务是一个巨大的挑战。能量采集技术作为一种将环境能转化为电能的技术,为解决远程电子医疗系统可持续性工作提供了理论的可行性。然而,由于使用能量采集技术获取到的能量的随机性以及在日常生活中人体的运动会对无线信道会造成遮挡,使得无线体域网信道受到较强的阴影效应的影响,因此如何在基于能量采集技术的无线体域网中保证数据的可靠性传输仍是一个严峻的问题。最后,由于远程电子医疗系统需要检测各种各样的生理信号,因此电子医疗系统需要能够适应无线体域网信号的异构性需求。为了使远程电子医疗系统提供一个可持续的、高可靠性的、高可用性的服务,本文在考虑到无线体域网的特点的基础上对资源分配策略进行了研究和设计:(1)基于无线体域网的特点和能量采集的特性,建立了相应的系统的信道模型、数据到达模型和能量采集模型。基于上述模型我们首先在理论上分析了系统在长期运行的情况下可达的性能指标。该性能指标对资源分配策略的设计和实际系统的搭建具有指导意义。(2)在此基础上,针对远程电子医疗系统提出了一种基于能量采集的资源分配策略。该策略通过联合优化传输功率分配和传输时隙分配从而提供一个在可持续性能指标要求下最大化系统的服务质量的功能。通过合理的时隙划分,该策略实现了系统对信号异构性的需求。仿真结果显示,相对于“贪婪的资源分配策略”,所提出的基于能量采集的资源分配策略在满足系统可持续性需求的前提下具有更高的服务质量和稳定的性能水平。同时,所提出的资源分配策略的性能十分接近理论性能指标。(3)针对系统中能量不均衡这一现象,将协作的中继传输策略扩展到上述的资源分配策略中去,从而进一步提高系统的服务质量。该策略不仅仅通过中继的方式进行数据传输,并且还可以共享能量,从而减小阴影效应带来的影响使得系统的能量均衡。仿真结果显示,相对于单纯的数据中继传输策略而言,所提出的能量共享情况下资源分配策略进一步提高了远程电子医疗系统的服务质量使得整个系统能量更均衡。
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