基于功率控制的无线体域网能量有效传输策略研究

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随着各种传感器不断微型化、智能化,以及近年来无线通信技术的迅速发展,逐渐孕育出了与人体区域相关的无线体域网(Wireless Body Area Networks,WBAN)。无线体域网的便利性和实用性使其广泛应用在健康医疗、休闲娱乐、军事作战等领域。由于传感器节点的电池容量十分有限,频繁地更换电池会降低用户体验,因此能量问题严重制约了无线体域网的发展。另外,人体移动性对无线信道造成的影响使得无线体域网中的节能问题更具挑战,在无线体域网中采用合理的功率控制机制提高能量效率将成为未来的一个重要研究方向。首先,本文介绍了无线体域网的研究背景、应用场景及其研究现状,并着重描述了IEEE 802.15.6标准,包括物理层技术、接入模式、网间干扰处理技术以及不同应用场景下的无线信道模型。然后,针对无线体域网能量资源严重受限问题,提出了一种适用于单个无线体域网信道特性的功率控制算法。该算法不需要额外的通信开销,协调器节点在每个超帧初始阶段以固定发送功率广播信标帧,传感器节点根据信标帧的接收信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)计算出当前路径损耗估计值,并通过回复帧的RSSI得到当前路径损耗实际值,从而动态调整路径损耗权重因子,减少路径损耗估计误差。同时在保障传输可靠性的前提下,传感器节点根据信道状态选择最佳发送功率值,使得单位能量成功传输的数据量最大化,达到优化无线体域网性能的目的。仿真结果表明,所提算法能够有效地减少数据包平均发送次数和发送能耗的浪费,从而提高无线体域网的能量效率。最后,针对移动场景下多个无线体域网中的网间干扰问题,提出一种带有节点区分的功率控制算法。每个无线体域网根据当前信道状态和服务质量(Quality of Service,QoS)需求建立不同的代价函数,进而构建了无线体域网功率控制博弈模型,并利用纳什均衡求解出每个无线体域网的最佳发送功率。仿真结果表明,所提算法能够有效地减少无线体域网网间干扰,同时避免了节点的发送能量浪费。
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