多姿态下无线体域网高能效技术与可靠性研究

One of the most major challenges that human must face is the sensing of life characteristics. Wireless Body Area Network (WBAN) is widely considered as an important method for realizing it. Due to the energy-limited and highly dynamic nature, it is necessary for WBAN to have high energy efficiency and reliability. However, there is no effective high dynamic ad hoc network method to achieve energy-saving and reliability. Based on the above problems, an effective and fast dynamic ad hoc network and seamless switching method of WBAN for multi-postures is proposed. The high energy efficiency function of WBAN for different posture is designed. The data transmission method and the principle of WBAN for multi-postures are established..The novelty of the work is as follows: 1) The design method and the principle of WBAN high energy efficiency function for single posture and multi-postures are established by using energy efficiency function. 2) Based on its high dynamic characteristic, an effective and fast dynamic ad hoc network and seamless switching method of WBAN for different postures is proposed. 3) A reliable Medium Access Control (MAC) protocol that supports dynamic resource allocation for multi-postures is constructed. The outcomes of the project will form the algorithm of WBAN energy efficiency and reliability of China's independent intellectual property rights, which can serve as a new theory and tool for the research and application of WBAN.

生命特征的感测是人类面临且急需解决的重大挑战之一，无线体域网（WBAN）是实现生命感测新的重要手段，其显著特征是网络的能量有限性和高动态性，因此该网络必须具有高能效和高可靠性。然而目前未见切实有效的高动态自组网方法，缺乏有效的WBAN节能控制与可靠性理论和方法。本项目针对上述问题，提出多姿态下WBAN网络有效且快速的动态自组网与状态无缝切换方法，重点研究不同姿态下WBAN高能效函数的设计问题，建立多姿态下WBAN网络数据传输的可靠性方法和准则。.其创新性工作有：1）运用能效函数，建立单姿态和多姿态下WBAN高能效函数的设计方法及准则。2）针对不同姿态下WBAN网络结构的高动态性，提出有效且快速的动态组网与状态无缝切换方法。3）构建了多姿态下支持动态资源调度的可靠底层MAC传输协议。成果将形成我国独立知识产权的WBAN能效和可靠性算法，为WBAN的研究与应用奠定新的理论方法和工具支撑。

生命特征的感测是人类面临且急需解决的重大挑战之一，无线体域网（WBAN，Wireless Body Area Networks）是实现生命感测新的重要手段，其显著特征是网络的能量有限性和高动态性，因此该网络必须具有高能效和高可靠性。然而目前未见切实有效的高动态自组网方法，缺乏有效的 WBAN节能控制与可靠性理论和方法。本项目针对WBAN的能量有限性和高动态性问题，从无线体域网络物理层，传输层，MAC层以及网络应用层四个方面展开研究。首先，在无线体域网物理层方面，提出了一种基于凸优化的传感器节点选择算法，推导出以传感器矩阵稀疏性和旁瓣电平为优化目标的优化函数；针对一种信号群的联合稀疏模型(JSM-2)，提出了重构算法-多重子空间追踪算法(MSP)。其次，在无线体域网传输层方面，提出了基于约束马尔可夫决策过程的无线体域网平衡生存期和公平性策略；并且提出改进的传输功率控制和分布式调度方案，达到了节省能量和均衡网络生存期和公平性的目的；提出了一种基于功率控制的体域网间干扰缓解算法，提高了多个体域网系统总的吞吐量。然后，在无线体域网MAC层方面，提出基于人体姿态的高能效介质访问控制协议，将步行姿态转换为几个静态姿势，设计了一种基于姿态的生命周期最大化方法(PA-DPLM)。最后，在无线体域网网络应用层方面，提出了无线体域网网络系统节点数据传输冲突判断与处理方法；构建了基于WBAN新的分布式大数据处理架构，使WBAN数据及其相关信息的分析得以实现。科研成果发表论文21篇，其中SCI收录9篇、EI收录10篇，获得发明专利1项，培养研究生15人，其中9人已毕业并获得硕士学位、在读6人。研究成果形成了我国独立知识产权的WBAN能效和可靠性算法，为体域网的研究与应用奠定了新的理论方法和工具支撑。