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基于ieee 802.15.6标准无线体域网的跨层重传策略研究

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软件导刊 2018年第9期17卷 200-202,207页

作者：王国栋郭坤祺江苏大学计算机科学与通信工程学院江苏镇江212013

由于受人体姿势与动作影响,无线体域网传感器节点与Hub节点通信会出现阴影效应,导致收发端数据传输失败率高,数据帧重传成功率低,同时多次数据重传造成额外能量消耗。为了提高数据重传成功率,减少网络节点能量消耗,提出基于ieee802.15.... 详细信息

由于受人体姿势与动作影响,无线体域网传感器节点与Hub节点通信会出现阴影效应,导致收发端数据传输失败率高,数据帧重传成功率低,同时多次数据重传造成额外能量消耗。为了提高数据重传成功率,减少网络节点能量消耗,提出基于ieee802.15.6标准的跨层重传策略,通过分析失败数据帧在物理层的信号特征,探究传送失败的原因,并设计MAC层重传方案。实验结果表明,与ieee802.15.6标准相比,基于ieee802.15.6的无线体域网跨层重传策略帧重传成功率更高,功率消耗更低,不仅可以提高数据帧重传成功率,改善网络失帧率,而且能够延长无线体域网节点使用寿命。

关键词：无线体域网阴影效应 ieee802.15.6 跨层重传策略 MAC

Control Access Point of Devices for Delay Reduction in WBAN Systems with CSMA/CA

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Communications and Network 2015年第1期7卷 1-11页

作者： Akinobu Nemoto Pham Thanh Hiep Ryuji Kohno Department of Medical Informatics Yokohama City University Yokohama Japan Division of Physics Electrical and Computer Engineering Yokohama National University Yokohama Japan

Due to the gathering of sickrooms and consultation rooms in almost all hospitals, the performance of wireless devices system is deteriorated by the increase of collision probability and waiting time. In order to improve the performance of wireless devices system, relay is added to control the access point and then the access of devices is distributed. The concentration of access point is avoided and then the performance of system is expected to be improved. The discrete time Markov chain (DTMC) is proposed to calculate the access probability of devices in a duration time slot. The collision probability, throughput, delay, bandwidth and so on are theoretically calculated based on the standard ieee802.15.6 and the performance of the system with and without relay is compared. The numerical result indicates that the performance of the system with control access point is higher than that of the system without control access point when the number of devices and/or packet arrive rate are high. However, the system with control access point is more complicated. It is the trade-off between the performance and the complication.

关键词： Standard ieee802.15.6 Discrete Time Markov Chain Method Control Access Point Bandwidth Efficiency Delay

ieee 802.15.6 MAC协议及频谱分配策略研究

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IEEE 802.15.6 MAC协议及频谱分配策略研究

作者：耿晓燕西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着无线通讯技术的发展和无线便携式设备的涌现，无线网络一直受到人们的关注。由于全球老龄化人口的迅速膨胀和紧缺的医疗资源使得应用于医疗领域的无线体域网（Wireless BodyArea Network，WBAN）引起了广泛的关注。另外，有限的频... 详细信息

随着无线通讯技术的发展和无线便携式设备的涌现，无线网络一直受到人们的关注。由于全球老龄化人口的迅速膨胀和紧缺的医疗资源使得应用于医疗领域的无线体域网（Wireless BodyArea Network，WBAN）引起了广泛的关注。另外，有限的频谱资源无法满足无线网络业务增长的需求，认知无线电技术的提出为解决频谱资源问题提供了可供选择的方案，促进了频谱资源管理和分配思想的发展。因此对于无线体域网性能的分析和无线认知网络频谱分配的研究具有重要意义。本文研究工作主要包括两方面，具体研究内容如下：首先，针对无线体域网标准ieee802.15.6MAC协议的研究，文中采用离散的三维Markov模型和退避模型分析了节点在接入信道过程中的竞争行为。在饱和网络情况下，本文分析了网络的节点个数、净负荷、不同的信息速率和用户优先级对无线体域网性能的影响，得到了性能参数归一化吞吐量和平均接入时延的数学推导公式。通过和标准ieee802.15.4的仿真对比，结果表明，标准ieee802.15.6能够为高优先级业务提供可靠及时的传输，满足医疗场景的应用需求。此外，考虑到次用用户(Secondary Users，SUs)对频谱的灵活请求，针对认知无线电网络中动态频谱分配技术进行了研究。为满足用户的灵活请求，将空闲频谱按照时间和频率的方式进行划分建立时间和频率的二维频谱模型，并采用组合拍卖的思想实现认知无线电网络中空闲频谱在次级用户间动态分配。基于贪婪算法和混合算法的动态频谱分配策略，分别给出了认知无线网络小规模场景和大规模场景的仿真结果，并得到在大规模场景下提出的混合算法能达到较好的性能。

关键词： ieee802.15.6 Markov链媒体接入控制认知无线网络动态频谱分配

基于ieee 802.15.6的无线体域网MAC协议研究

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基于IEEE 802.15.6的无线体域网MAC协议研究

作者：袁德颖河南科技大学

学位级别：硕士

无线体域网络(Wireless body area network,WBAN)是由一些部署在体内或者体表的传感器节点和人体周围设备相互连接形成的短距离通信网络,主要用于监测人体生理数据或周围环境信息,可应用于医疗、体育、娱乐等很多领域。无线体域网的传... 详细信息

无线体域网络(Wireless body area network,WBAN)是由一些部署在体内或者体表的传感器节点和人体周围设备相互连接形成的短距离通信网络,主要用于监测人体生理数据或周围环境信息,可应用于医疗、体育、娱乐等很多领域。无线体域网的传感器节点由电池供电,不易充电或者更换电池,而且数据传输需要较高的实时性,因此减少时延、降低能耗是无线体域网MAC协议的研究重点。ieee 802.15.6是专为无线体域网制定的通信标准,支持短距离、低功耗和高可靠性的无线通信。因此,本文主要研究基于ieee 802.15.6的无线体域网MAC协议。首先结合无线体域网的MAC协议的国内外研究现状,分析了无线体域网的网络架构、特征以及无线体域网MAC协议的基本理论,并重点研究了ieee802.15.6规范。在此基础上,针对无线体域网MAC协议自适应性能不好且能效低的问题,提出一种自适应的无线体域网MAC协议(A-MAC)。该协议在ieee802.15.6的基础上,采用简化的超帧结构,以减小控制开销,简化控制难度;为保证高优先级业务的实时性与可靠性要求,设计高优先级数据在竞争接入阶段进行传输;同时,基于业务优先级进行动态时隙分配,提高网络的自适应性和时隙利用率。仿真结果表明,使用A-MAC协议的网络性能明显优于使用ieee802.15.6 MAC协议和CA-MAC协议的网络性能。然后,为了解决节点在周期性睡眠过程中存在的数据时延问题,研究一种基于唤醒机制的无线体域网MAC协议(W-MAC)。该协议基于ieee 802.15.6标准,采用唤醒机制,所有节点都增加一个额外的超低功耗唤醒电路,节点在没有数据传输时,始终处于睡眠状态,能够有效降低网络能耗;根据业务优先级情况,采取不同的唤醒方式:对于周期业务,协调器向节点发起唤醒,而对于随机业务,节点主动向协调器发起唤醒;此外为了降低数据冲突,当同时有两个及以上节点被唤醒时,优先处理高优先级业务。仿真结果验证了W-MAC协议能够显著降低网络能耗,提高网络整体性能。最后,为了解决无线体域网MAC协议能量有效性和时延的矛盾问题,提出一种基于多信道的无线体域网MAC协议(MC-MAC)。该协议采用多信道机制,将信道分为一个管理信道和多个传输信道,可以有效避免干扰和减少网络时延;在信标帧中增加一个信道状态域来映射信道状态,获取信道空闲情况,同时,综合分析节点数量和优先级,为节点分配初始信道,使节点优先在初始信道上传输;此外,提出一种基于节点优先级的信道选择机制,来避免碰撞。仿真结果表明,MC-MAC协议在网络时延、平均能耗和归一化吞吐量方面明显改善了网络性能。

关键词：无线体域网 ieee802.15.6 自适应唤醒机制多信道机制高能效 MAC协议

应用于WBAN的ieee 802.15.6协议的仿真分析与优化

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应用于WBAN的IEEE 802.15.6协议的仿真分析与优化

作者：王喜瑞西安电子科技大学

学位级别：硕士

近年来，随着可穿戴式医疗传感器和无线通信技术的迅速发展，WBAN已经成为一种非常有前景的技术，将会彻底地改变当前的医疗护理方式。与传统的面对面诊断不同，WBAN可以对病人进行远程、连续和实时的监护，将采集到的病人相关数据经过... 详细信息

近年来，随着可穿戴式医疗传感器和无线通信技术的迅速发展，WBAN已经成为一种非常有前景的技术，将会彻底地改变当前的医疗护理方式。与传统的面对面诊断不同，WBAN可以对病人进行远程、连续和实时的监护，将采集到的病人相关数据经过处理后传输给医疗数据基站。这样，医疗护理过程可以更加方便和快捷，在很大程度上提高医疗护理的效率。 ieee802.15TG6小组设计了一个应用于WBAN的低功率的通信标准ieee802.15.6，在这个标准中规定了MAC层的接入方式以及物理层的一些参数，同时对于传感器节点间的安全通信设计了一个安全规定。设计无线人体局域网（WBAN）的安全机制时会面临安全与效率之间的权衡。一方面，WBAN中采集和存储的大多是病人的生理数据，这些数据对于病人的诊断和治疗来说至关重要，因此确保这些数据的安全是非常重要的。对真实数据的获取失败可能使病人无法接受有效的治疗，甚至导致错误的治疗。另一方面，传感器的体积通常很小，能量的供应也相对有限，这使得他们在计算和存储方面的性能较差;但是频繁地充电或者更换电池对于传感器节点，尤其是植入人体内部的传感器节点来说更是不可取的，所以传感器节点所使用的加密算法应该尽可能地轻量级，应能够满足计算速度快和存储开销小等特点。本文首先对ieee802.15.6标准进行了大致介绍，然后针对其中的安全规定进行了主要的介绍和详细的理论分析，并使用Opnet Modeler仿真工具对协议中的安全关联过程进行了建模仿真，分析其能量消耗情况以及完成一次方针所需要的时间。紧接着，本文提出了一种基于生物特征的安全关联协议。这个方案使用传感器节点采集到的共同的生理特征数据作为相互间秘密共享的信息，以此为基础通过安全关联过程建立起一个共同的主密钥MK;由于使用的生理信息是传感器本身采集到的相同数据，所以省去公共信息的传输，同时也节省了安全关联帧的长度，减少了计算量，在提供安全性的基础上降低了完成安全关联过程所需要的能量消耗，同时因为减少了信息交互的次数也缩短了完成安全关联所用的时间。

关键词：无线人体局域网安全关联 ieee802.15.6 OPNET仿真

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基于多信道技术的无线体域网MAC协议设计

基于多信道技术的无线体域网MAC协议设计

作者：李楠楠西安电子科技大学

学位级别：硕士

无线体域网（Wireless Body Area Network,WBAN）是一种以人体为中心基于射频的无线通信网络技术,具有高可靠与低功耗的特点。通过将传感器节点置于体内、体表或者人体周围可以构成一个连续监测人体生理或环境信号的无线网络,实现节点... 详细信息

无线体域网（Wireless Body Area Network,WBAN）是一种以人体为中心基于射频的无线通信网络技术,具有高可靠与低功耗的特点。通过将传感器节点置于体内、体表或者人体周围可以构成一个连续监测人体生理或环境信号的无线网络,实现节点与远程设备之间的数据交换,通过将其应用在医疗领域可以实现对病人体征信息的采集并进行远程实时监护。显然,网络中各种应用的实现与数据、图片与视频等多媒体内容的实时、可靠与高效传输密不可分。鉴于WBAN工作环境及场景的特殊性,使其极易遭受邻近网络和其他无线信号的干扰。这将导致部分数据丢失或传输超时,并造成无法预估的后果。另外,WBAN中各节点皆通过能量有限的电池供电,然而体内的传感器节点并不允许电池的频繁更换。同时,WBAN中部署在不同位置的传感器节点会产生多种类型的业务,各业务对服务质量的要求并不是完全相同。此外,业务的突发性对网络的性能有着更严苛的要求。针对以上问题,本论文从以下两个方面着手研究:一方面,为缓解WBAN中各节点因使用相同或相近的频谱资源带来的干扰问题,本文针对WBAN应用领域与业务需求的特点,设计了一种可以缓解干扰的多信道MAC协议（Interference Mitigation MAC Protocol,IMMAC）,内容包括:（1）根据信道状况,将信道进行优良划分并提出信道状态解析方案;（2）鉴于业务优先级不同所造成的不公平性设计一种更高效的信道选取机制;（3）引入信道切换概率参数,提出有效的信道切换策略。在此基础上,对整个通信过程建立了理论分析框架,对网络归一化吞吐量和时延进行了理论推导。最后对以上两个性能指标仿真评估,并最终证明IMMAC协议可以有效的缓解干扰并提升网络的整体性能。另一方面,由于WBAN的网络拓扑动态变化性和无线信道状况的多变性,单从用户本身的优先级来决定各节点传输数据的顺序并不总能得到较高的能量利用效率和传输效率。本文提出了基于高效传输机制的多信道MAC协议（MAC Protocol towards Energy Efficiency and Low Interference,EIMAC）,综合考虑节点的剩余能量、业务优先级和业务量,引入一个新的紧急因子,根据紧急因子的大小来决定各节点传输数据的顺序即对各节点优先级进行自适应调整。在此基础上,对整个协议建立了理论分析框架,对网络归一化吞吐量、时延和能耗进行了理论推导。最后对三个性能指标仿真评估,并最终证明EIMAC协议可以提升节点的能量利用效率和传输效率。

关键词：无线体域网 ieee802.15.6 多信道干扰媒体接入控制协议

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面向WBAN基带处理的SoC系统研究

面向WBAN基带处理的SoC系统研究

作者：房达斌复旦大学

学位级别：硕士

随着人们对健康问题的关注和半导体技术的发展,医疗电子得到越来越多的使用,这推动了无线体域网(WBAN)的发展。2012年ieee正式发布了WBAN标准协议ieee802.15.6,规定了MAC层和窄带、超宽带、人体通信物理层的具体内容,引起了学术界和工... 详细信息

随着人们对健康问题的关注和半导体技术的发展,医疗电子得到越来越多的使用,这推动了无线体域网(WBAN)的发展。2012年ieee正式发布了WBAN标准协议ieee802.15.6,规定了MAC层和窄带、超宽带、人体通信物理层的具体内容,引起了学术界和工业界的兴趣。物理层位于OSI参考模型的最底层,直接面向通信介质,为MAC层提供传输原始比特流的物理连接。窄带物理层是WBAN专门针对医疗电子而优化的低功耗物理层协议,本文对其进行了深入分析和研究,采用matlab进行了建模,在不同工作模式下对系统的性能进行了仿真和分析,达到了WBAN窄带物理层协议规定的可靠性要求。然后本文针对窄带物理层协议设计了PHY硬件加速器。由于医疗电子对能量的严格要求,在进行PHY硬件加速器设计时,本文将功耗作为首要考虑因素。在各个模块的不同设计方案中,本文选择了低功耗和低成本的实现版本,并分时复用了BCH编码、扩频和交织、加扰器等模块。在进行滤波器设计时,本文采用了正则有符号数编码和共享子表达式的方法降低功耗。在此基础上本文研究了面向WBAN基带处理的SoC系统,包括硬件平台和软件平台。为了降低基带SoC的功耗,利用时钟门控单元使处于系统中处于空闲状态的模块自动进入休眠状态,等模块需要进入工作状态时将其唤醒。为了方便SoC系统的配置、仿真和验证,本文利用wxPython实现了基带SoC系统的图形化配置界面。最后对基带SoC系统进行了仿真和FPGA验证。并对PHY硬件加速器进行了ASIC综合、布局布线、后仿和功耗分析,对面积、功耗等结果进行详细的报告和分析,并将结果与其它论文作了比较。

关键词：无线体域网 ieee802.15.6 窄带物理层片上系统医疗电子

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基于体域网协作通信的关键技术研究

基于体域网协作通信的关键技术研究

作者：王志军吉林大学

学位级别：硕士

近年来随着智能硬件、人机交互和可穿戴设备等前沿技术的迅速发展，无线体域网作为物联网和上述技术的交叉领域得到了广泛的关注。无线体域网已经在医疗监护、军事、休闲娱乐、航空和体育等方面有了诸多应用，蕴含着广阔的商业前景和科... 详细信息

近年来随着智能硬件、人机交互和可穿戴设备等前沿技术的迅速发展，无线体域网作为物联网和上述技术的交叉领域得到了广泛的关注。无线体域网已经在医疗监护、军事、休闲娱乐、航空和体育等方面有了诸多应用，蕴含着广阔的商业前景和科研价值。但是，无论从理论研究还是技术实现层面都有很多瓶颈，为了推进无线体域网的发展很多问题亟待解决。针对无线体域网的低功耗、小型化和可移动性等特点，本文从理论研究出发以优化无线体域网的生存期为目标，从能效和可靠性两方面进行展开研究。随着5G移动通信的研究进展，要求在高带宽信道上可以获得更高的数据速率，MIMO技术再度得到了广泛的关注。但是，无线体域网的传感器节点仅有单天线MIMO技术无法实现，协作通信技术成为新的解决方法。协作通信在传感器节点只有单一天线的情况下，通过传感器节点之间的合作实现空间分集。协作机制下传输可以节省无线体域网的能量消耗和提高网络的可靠性。本文基于无线体域网协作通信的关键技术进行展开研究，主要的研究工作如下：第一，以优化无线体域网生存期和提高网络可靠性为目标，构建了无线体域网协作机制下网络模型和信道统计模型。研究了适合协作机制下无线体域网的最佳传输策略和信号合并方法。第二，以最大化无线体域网的生存期为目标，研究了现有的能效指标函数，包括最大剩余能量模式、最优信道模式、最大最小模式和DPLM模式。在均衡可靠性的前提下，研究了直接传输和协作传输模式下基于误码率限制的功率控制机制。第三，提出了以能效指标函数为衡量标准的能效中继选择算法，通过仿真实验分别对400MHZ、2.4GHz和超宽带三种不同频段进行了仿真，仿真实验证明了在大多数应用场景中，DPLM模式的中继选择算法具有最优的网络生存期性能。第四，进行了协作机制下分布式传输调度算法的设计，主要针对无线体域网的物理层、数据链路层和MAC层进行分布式设计。在物理层，提出在误码率限制下，基于M-PSK调制的最优功率分配策略;在数据链路层，提出分布式DPLM传输协议，协议考虑了信道状态信息和剩余能量信息;在媒体接入控制层，运用了基于ieee802.15.6标准改进的两跳媒体接入控制协议。最后通过仿真实验证明了提出的分布式传输调度算法在保证体域网可靠性的前提下，最大化了无线体域网的生存期性能。本文的主要工作为解决无线体域网的能效和可靠性问题提供了新的方法;提出的分布式传输调度算法进一步优化了无线体域网的生存期性能，对无线体域网的后续研究具有一定的借鉴价值。

关键词：无线体域网协作通信生存期中继选择调度算法 ieee802.15.6

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WBAN设备的协议栈设计与实现

WBAN设备的协议栈设计与实现

作者：吴思振北京邮电大学

学位级别：硕士

随着短距离无线通信技术的飞速发展,无线医疗设备和保健设备被更加广泛地推广使用。健康检测数据的传输逐步由传统的有线电缆转变为依靠无线技术传输。但是随着无线设备的增加,单一的点对点技术已经不能满足针对人体环境的通信需求,专... 详细信息

随着短距离无线通信技术的飞速发展,无线医疗设备和保健设备被更加广泛地推广使用。健康检测数据的传输逐步由传统的有线电缆转变为依靠无线技术传输。但是随着无线设备的增加,单一的点对点技术已经不能满足针对人体环境的通信需求,专门应用于人体体域网的WBAN技术应运而生。近年来对WBAN的研究,已经开始从理论性研究向实际应用方面转变,本文正是在这种趋势下,首先对WBAN技术进行相关性调研,对ieee802.15.6标准进行了深入地研究,然后针对实际场景以及项目需求,对WBAN协议栈进行了设计,并在硬件平台上实现了一套符合要求的具有较高性能、较低复杂度、超低功耗的协议栈。本文将对所设计的协议栈的整体架构,各层设计方案进行详细的描述。其中物理层采用基于状态机的设计方案,为了方便移植不同的芯片,设计将底层的硬件功能进行抽象,通过代码的形式形成不同的功能接口,然后根据当前程序的状态,执行不同的逻辑功能。在MAC层设计方面,本文针对项目需求设计了的三种核心功能模块——休眠机制模块、上层模块、内存管理模块,然后针对MAC层各个功能流程给出了详细的设计方案。其中在鉴权部分,本文设计了一6种低复杂度的鉴权算法,通过把ieee802.15.6标准中AES-CMAC加密算法改为根据AES的简化加密算法,使之能与硬件平台兼容;在入网分配部分,为了解决分配资源较少问题,本文设计了一种低时间复杂度的时隙分配算法,通过将每个时隙结构以链表方式连接,整合了空闲时隙,节约了时隙资源。本文最后给出了协议栈的功能测试方案,分别针对协议栈的物理层和MAC层功能进行测试。测试结果显示,本文设计的协议栈功能运行稳定、能耗较低,具有一定工程参考价值。

关键词：无线体域网 ieee802.15.6 协议栈开发低功耗