[发明专利]人体行走姿态下无线体域网生存周期的汇聚节点放置方法

说明书

本发明涉及一种人体行走姿态下最大化无线体域网生存周期的汇聚节点放置方法，属于无线通信领域，包括构建无线体域网网络生存期最大化模型；利用无线体域网信道模型、功率控制模型以及能量消耗模型，推导最大化无线体域网生存周期的汇聚节点放置方法；提出汇聚节点放置方法的近似求解算法。本发明针对无线体域网中汇聚节点的放置位置问题，克服了传统的将汇聚节点固定在人体腰部位置引起能量消耗增加的缺点，同时也首次将该方法应用到拓扑动态变化的无线体域网中。在满足比特误码率以及功率约束条件下，该方法最大化了网络的生存期，更加适用于人体生理参数的全天候监测。

技术领域

本发明涉及无线通信领域，尤其是指一种人体行走姿态下最大化无线体域网网络生存周期的汇聚节点放置方法。

背景技术

随着科技的进步，集成电路更加轻量化、小型化，同时芯片的功耗也得以进一步降低，从而催生了一个重要的科研领域——无线体域网(WBAN，Wireless Body AreaNetwork)，吸引了大批的学者及业界人士致力于其研究工作。无线体域网具备诸多优势的同时，也面临着很多挑战。其中，最大的挑战之一是网络的能量受限。无线体域网中的传感器节点需要随身携带，有些需要植入人体体内，因而多为电池供电，具有有限的能量。所以，设计高能效的无线体域网协议，进而提高能量的利用效率是极其重要的。

从无线体域网能效问题来看，2001年Pei G等基于时分多址接入(TDMA,TimeDivision Multiple Address)设计了一种无竞争模式的MAC协议，通过减少冲撞进而节约能量。该协议的设计更适用于多条环境下的传感器网络。2002年Heinzelman WB等设计了一种自适应的基于分层聚类的协议，该协议结合了路由协议和媒体介入协议，进而达到了节能的目的。2002年Ye W等提出传感器节点休眠算法，当节点不参与信息传输时，其会进入睡眠状态，从而达到节能的目的。2003年Van Dam等运用短时脉冲信号来传递数据，减少了能量的泄露进而达到节能的目的，但是该协议缺乏可靠性。2004年Polastre J等在上行链路采用载波监听多址技术实现节点的睡眠机制，进而达到节能的目的，但是该协议不能让节点在数据传递后进入睡眠状态。2005年Rajendran V等提出一种对于非传递信息节点不进行信道侦听和数据传输的机制，进而达到了节能的目的。2008年Ullah S等对基于TDMA的协议的报头进行了分析。2009年Changle LI等提出一种动态的TDMA算法，该算法在选择时隙时，会首先选择有缓冲包的时隙。2010年Quwaider M等基于人体姿态以及接收信号强度，设计了一种应对人体动态姿态的功率控制算法，实现节能的目的。2011年Maskooki A等利用人体行走时身体的姿态变化信息提升了无线体域网的生存周期。2012年Ullah S等经过进一步的研究，利用信道的流量信息设计了一种自适应的MAC协议，该协议通过动态的调整轮询机制用以解决空闲监听问题，进而节省了空闲监听所耗费的能量。2013年Van Roy等研究和提出了人体在运动环境下的信道模型，为运动姿态下的能效研究打下了基础。同年Momoda M等针对人体跑步状态下的姿态，设计了一种协作协议，避免了阴影效应的出现，从而省去了信息重传所需的能量。2014年Elias J提出了基于能量感知的无线体域网高能效模型，该模型利用线性规划的方法最小化了系统初始化以及中继选择时所耗费的能量。2015年Deepak KS等推到无线体域网直传和协作通信的数学表达式，明确了直传和协作两种传输方式的适用环境，较于单一的传递方式，节约了无线体域网系统的能量。

虽然已经有大量的有关于能效问题的发明，但都是针对静态姿态下的无线体域网，很少有文章针对人在运动时的动态网络拓扑结构设计一种合理且有效的能效算法来解决动态环境下无线体域网的节能问题。所以，本发明研究的内容是有着实际意义且为亟待解决的问题。

在媒体接入层采用基于姿态感知的生存期最大化协议(PA-DPLM,Posture-AwareDynamic Protocol for Lifetime Maximization)，该协议系发明人设计，通过利用姿态信息、剩余能量信息以及信道状态信息，该协议能够感知人体姿态，同时能够合理的调度传感器节点，实现无线体域网网络生存期的提升。