基于能效的线性调频超宽带无线体域网数据传输及系统优化

Wireless Body Area Network (WBAN) is an energy-limited network, improving energy efficiency to further prolong the network lifetime is crucially important. In this research, the Chirp-UWB is proposed as the transmission technology and the energy efficiency function is introduced in WBAN. In order to improve the energy efficiency, the physical layer, the MAC layer and the network layer are united for a cross-layer optimization over the channel model released by IEEE 802.15 TG6. Multi-hop cluster-tree topology is the focus of our interests. Combining the remarkable properties of Chirp spread spectrum and UWB technologies, flexible spectrum planning, adaptive modulation and coding are adopted in the physical layer. Furthermore, for different priority level services and data transmission modes, the TDMA timeslot scheduling mechanism and lightweight data transfer protocol are designed to balance nodes' power consumption in the MAC layer. At the same time of energy efficiency optimization, the packet delivery ratio, the throughput and the transmission delay of WBAN nodes are deduced. With the further coexistence interferences analysis of multiple WBAN piconets, the additional network overheads are considered to achieve the trade-off among high efficiency, low power consumption, low complexity and high reliability for Chirp-UWB WBAN data transmission mechanism. This research will provide proposals and the theoretical basis for homegrown WBAN standard.

无线体域网（WBAN）是能量受限的网络，提高能效，延长网络生命周期至关重要。本项目采用线性调频超宽带（Chirp-UWB）作为WBAN的传输技术，在IEEE 802.15 TG6发布的信道模型下，将能效函数引入WBAN中，以能效为目标参量进行物理层、MAC层和网络层联合跨层优化的研究。主要针对基于簇的多跳树型拓扑结构，物理层融合Chirp扩频和UWB的技术特点，采用灵活的频谱规划和自适应调制编码；MAC层根据业务优先级和数据传输模式，均衡节点能耗，设计基于TDMA的时隙调度机制和轻量级的数据传输协议。在能效优化的同时，分析网络节点的包传送率、吞吐量和时延特性，结合多WBAN微微网的共存性干扰，研究跨层优化带来能效提高的同时增加的额外开销，折衷优化形成高效、低功耗、低复杂度和高可靠性的Chirp-UWB WBAN数据传输机制。本项目的研究将为形成我国的WBAN标准提供建议和可参考的理论依据。

本项目围绕高能效、低功耗和高可靠性等性能指标，对无线体域网（WBAN）中的物理层、MAC层和网络层的通信技术进行了重点研究。（1）依据人体体征参数测量的实际情况，构建了WBAN的人体拓扑结构模型，利用网络仿真软件NS2对Ad Hoc中经典的DSDV和AODV路由协议在WBAN中的应用进行性能分析和仿真验证，结果表明基于 AODV 路由协议的WBAN网络综合性能优于基于DSDV 协议的WBAN网络。（2）从吞吐量、误码率、平均传输次数三方面对在人体信道条件下的HARQ技术进行了理论分析和仿真验证，研究表明在信噪比比较小的情况下,丢包率随着信噪比的增大而减小,当达到最小值后,丢包率会随着信噪比的增大而增大；在相同的平均信噪比和寄存器长度的情况下, Type－III 型HARQ WBAN的吞吐量比Type－I 型HARQ WBAN吞吐量有明显提高。（3）针对自适应调制解调中典型调制信号分类识别的需求，基于高阶谱、循环谱和时频特征，提出了将α平面特征、二次方谱特征与信号频谱特征相结合的信号特征提取和识别混合算法，通过使用三种心电信号对算法的有效性进行了验证。（4）将能效函数引入WBAN中，基于IEEE802.15.6 标准和WBAN信道模型标准，建立了ARQ和FEC两种差错控制技术的能量效率模型，分析了各参数对两种技术能量效率的影响，对于ARQ技术，存在最优负载使能效达到最大；对于FEC技术，当固定包长、通信距离和调制方式时，存在最优BCH编码使能效达到最大，通过对ARQ和FEC两种技术的能效的比较，得出FEC技术更适合WBAN数据的远距离传输。（5）在WBAN实验平台设计方面，基于认知无线电理论和短距离无线传感网络SimpliciTI 协议，提出了具有认知无线电能力的无线远程医疗软硬件系统实现方案；搭建了以Android、ZigBee和Java Web技术相结合的无线医疗环境监控实验平台。