无线体域网中低功耗、低时延接入技术研究

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随着电子医疗服务(e-Health Service)的推广,无线体域网作为其中最具潜力的技术正受到越来越多的关注。无线体域网是由放置于人体的医疗传感器组成,用来收集生命体征信号并传输到远程数据中心用于分析诊断。由于这类传感器节点体积小,却要求能长时间工作,因此能耗是无线体域网首要关注问题。此外,由于无线体域网传输的是医疗数据,数据传输的时效性尤为重要。对此有必要结合无线体域网特点设计低功耗、低时延接入技术,从而提高能量有效性,降低数据包时延。由于接入协议的设计直接受网络结构的影响,本文针对无线体域网中两种常见网络结构:星形网络和树形网络,分别设计合适的接入协议。首先,在采用超帧结构接入的星形网络中,提出一种基于增强型超帧结构的接入协议。在IEEE802.15.6的超帧结构中,虽然在功能设计上较为丰富,但是其结构松散,工作方式较为复杂,缺乏可操作性。针对这些问题,提出增强型超帧结构。在增强型超帧结构中,保持功能的完备性,各部分在结构上更为紧凑,并且容易实现。此外,为了与IEEE802.15.6物理层的兼容,考虑增强型超帧结构的具体实现。接着,在不采用超帧结构接入的星形网络中,提出一个基于实时队列信息的CSMA/CA协议。通过一个数学模型,证明CSMA/CA网络中节点占用信道的概率与其平均退避时长和平均发送时长的比值相关,并指出现行的CSMA/CA协议中缺少对节点业务特性考虑,导致网络不能很好适应变化的数据包到达率。在基于实时队列信息的CSMS/CA协议中,节点的平均退避时长和平均发送时长均和节点数据包队列长度有关,从而较好适应变化的数据包到达率。仿真实验验证基于实时队列信息的CSMA/CA能够提高网络整体吞吐量并降低数据包传送时延。最后,现阶段适用于树形WBAN的MAC协议并没能很好兼顾能耗和时延这两方面的性能,对此提出一个全新设计的MAC协议:QS-PS。在QS-PS中,节点在所分配的时隙里传输数据包,在其他时隙内转入低功耗的“准睡眠模式”。当某个节点产生紧急类型数据包时,该节点先广播一个特别设计的唤醒信号来唤醒全网。接着通过时隙征用的方式获得当前时隙使用权用来传输紧急类型数据包。QS-PS不仅能为普通类型数据包而且能为紧急类型数据包提供较好的时延服务,QS-PS能够在功耗和时延方面做出较好的平衡。
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