基于能量收集的WBAN能量协作关键技术研究

作     者：邵美琪 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡封晔

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：无线体域网 无线能量与信息传输 能量收集 能量协作 

摘      要：无线体域网(WBAN,Wireless Body Area Network)是在无线传感器网络的基础上发展起来的,以人体的生理信息采集传感器为中心的无线网络,它不仅适用于诊疗保健、健康监测和早期预防等领域,还是物联网技术的重要组成部分。现阶段针对无线体域网的研究尚处于发展阶段,传统研究主要集中在无线体域网体系架构的建立以及服务平台的设计与搭建上,然而在无线体域网的能量收集方面鲜有涉及。由于无线体域网应用环境的特殊性,能量的持续性供应问题在无线体域网中面临着巨大的挑战,针对能量收集的关键技术研究对于无线体域网的长远发展是极其必要的,并且具有实际的研究意义和广泛的应用前景。无线体域网的供电设备通常为能量有限的能量源,即容量有限的电池。这种电池可能存在性能瓶颈,随着使用时间的增加而耗尽能量,因此限制了服务的可持续性。在大多数场景中,由于传感器设备可能被植入体内,导致这些电池不易更换。相比之下,能量收集技术可以从一系列无限的能量源中收集能量,并将其转化为电能。因为能量收集不受固定的视距或范围限制,而且能量的获取有多种方式,所以可以被视为一种可行的延长可穿戴设备使用寿命的解决方案。能量收集能够支持系统实时持续地监控体内各种生理参数,形成自身的可持续发展体系。而在能量收集基础上的能量协作能够进一步实现通信性能的优化,达到能量合理高效的利用。本文从解决无线体域网的能效问题入手,在无线体域网中应用能量收集技术,研究了能量收集与信息传输协议和基于能量收集的能量协作收集转发机制,为无线体域网的能量收集与能量协作的深入研究奠定了基础。本文的研究思路如下:首先,设计无线体域网的能量收集与信息传输协议,对能量收集与信息传输过程进行建模。其次,通过同时优化时间占比与传输功率的方法实现无线体域网信息吞吐量的最大化。最后,在无线体域网中设计了基于能量收集的能量协作通信模型,通过优化能量转换效率与能量收集速率实现吞吐量的最大化,验证了能量协作机制具有明显优势。本文主要工作如下:一、在无线体域网中应用能量收集技术,构建能量收集与信息传输模型,设计无线体域网的能量收集与信息传输协议,针对能量与信息传输中的时间和功率制定相应的分配策略。二、以无线体域网的信息吞吐量为目标优化函数,对能量收集时间占比和传输功率同时进行优化,得出在不同能量转换效率与能量收集速率下的最优时间比与最优传输功率,获得对应于最优解的最大信息吞吐量。三、针对基于能量收集的无线体域网能量协作问题进行研究,在无线体域网能量收集的发送节点和接收节点之间设计了一个能量协作的存储转发机制,针对该模型的工作方式进行了详细介绍。四、在能量协作收集转发机制下推导并优化了通信系统的吞吐量,通过仿真实验验证该能量协作收集转发机制对吞吐量性能的提高,表明在实际的能量收集设备中应用能量协作可以有效提高通信性能。上述研究中,能量收集与信息传输方案实现了传感器的可持续性工作,为无线体域网中能量收集技术的深入研究提供了基础。基于能量收集的能量协作收集转发机制实现了通信性能的优化,达到了能量合理高效的利用。