面向无线体域网中休眠调度机制和算法研究

Wireless Body Area Networks (WBANs) playing a fundamental role in E-health is a promising technology in future medical healthcare applications. Due to very sparse energy of sensors, one of the most important problems in WBANs is how to save energy to prolong network lifetime. To address this issue, we devote this project to developing a series of sleep scheduling mechanisms and algorithms for WBANs. Specifically: 1) In order to reduce energy consumption to prolong network lifetime, based on Kalman Filter, we design dynamic sleep scheduling mechanisms for both static and dynamic WBANs; 2) Combining the ultra-wideband physical communication mode specified in the IEEE 802.15.6 standard with outdated channel sate information, we propose adaptive sleep scheduling mechanisms based on learning-aided Lyapunov optimization to achieve the tradeoff between energy consumption and delay constraint; 3) For two-hop WBANs, we investigate sleep scheduling algorithms from the perspective of constructing minimum weighted Dominating Set to ensure the network connectivity and reliability. The importance of this project is two-fold: On one hand, it provides theoretical guidelines for the study of energy saving to prolong network lifetime in WBANs; it is compatible with the international standard on the other hand, which makes it applicable to the industry.

作为电子医疗基础平台的无线体域网将成为未来医疗护理的关键技术。部署在人体的传感器节点能量十分有限，这使得无线体域网亟需解决节能问题。针对该问题，本课题研究面向无线体域网的休眠调度机制和算法，内容包括：1）利用卡尔曼滤波估计传感器节点状态特征，来研究静态和动态无线体域网中的休眠调度机制，目标是减小能量消耗延长网络寿命；2）结合IEEE 802.15.6标准中的超宽带物理层通信模型和过时的信道状态信息，利用学习辅助的李雅普诺夫优化来研究休眠调度机制，其目的是最小化能量消耗并保障网络时延；3）针对两跳无线体域网，通过构建最小加权控制集设计休眠调度算法，目标是有效降低能耗并保证网络连通性及可靠性。项目研究成果具有两方面重要意义：一是为无线体域网节能机制研究提供理论模型与支撑；二是兼容国际标准易于与产业结合。

随着通信技术的快速发展，无线体域网作为医学物联网的一个重要组成部分，受到了越来越多的关注。由于传感节点能量十分有限，无线体域网亟需解决如何有效地延长网络寿命的问题。针对这一问题，本项目提出了一系列面向无线体域网的休眠调度机制和算法。首先，本项目详细地分析了duty-cycle节能技术和能量采集技术在延长网络寿命方面的性能，并提出了一种三阶段的休眠调度策略。然后，结合无线体域网在医学物联网中高可靠性的要求，本项目通过构建m-fold最小控制集来保证网络的连通性和可靠性，研究了基于拓扑控制的休眠调度机制，并设计了全局最优和局部最优的近似算法。接着，考虑到能量采集的无线体域网中，如何有效地控制AP节点的发送功率和传感节点的时间分配来提高网络的吞吐量，本项目提出了联合功率控制和时间分配的优化问题，并通过将非凸优化问题转换为三个凸优化子问题来求解。随后，为了保证能量采集无线体域网的连通性，同时最大化网络寿命，本项目分别设计了集中式算法、分布式算法和改进的分布式算法，并从理论上分析了各个算法的性能。最后，通过大量的软件仿真对本项目提出的一系列休眠调度算法进行了性能评估和验证，结果证明本项目提出算法在延长网络寿命方面表现最优，为未来无线体域网的发展和应用提供了理论上的指导。