动态环境下无线体域网的能量和信息高效传输关键技术研究

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 solution for achieving this goal. Due to the limited energy supply and highly dynamic operation environment, it is necessary for WBAN to build highly efficient and reliable energy and information transmission system. However, there is no existing theoretical model that can effectively analyze simultaneous energy and information transmission performance in WBAN. To resolve this problem, a new algorithm and protocol for simultaneous energy and information transmission over the same or different frequency bands is proposed, which leverages on constrained Markov Decision Theory, fairness-ensured and environment-adaptive energy beamforming transmission strategy, exploring the cooperative communication key issues in WBAN under a variety of conditions, as well as the energy reception and distribution mechanisms based on the level of interference. The main novelty of the work is as follows: 1) From the energy transfer point of view, for a single access point WBAN network, establishing an effective energy transmission mechanism under a two-phase harvest-then-transmit protocol; 2) To adapt to the highly dynamic environment, an effective energy and information transmission method and mechanism is proposed; and 3) A energy cooperative communication algorithm and principle among WBAN nodes is designed. The outcomes of the project will form the foundation for WBAN energy and information transmission of China's independent intellectual property rights, which can serve as a new theory and tool for the future 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，因此构建高效可靠的WBAN能量和信息传输系统是非常必要。然而，目前未见WBAN能量和信息同时传输的描述，缺乏有效的能量传输理论体系。项目针对上述问题，提出不同及同一频带能量和信息传输的算法及准则，重点研究运用约束马尔可夫理论、公平性和时变性构建能量波束成形传输策略，探索多种条件下体域网协作通信的关键问题，建立基于干扰水平的能量接收和分配机制。其创新性工作有：1）从能量角度出发，针对单点WBAN网络，建立高能效的先获取能量后发送信息的传输机制。2）针对高动态环境，提出高效的能量和信息传输的方法与机制。3）构建WBAN网络间能量协作算法和准则。成果将形成我国独立知识产权的WBAN能量和信息传输算法，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（Wireless Body Area Networks, 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，因此构建高效可靠的WBAN能量和信息传输系统是非常必要。然而，目前未见WBAN能量和信息同时传输的描述，缺乏有效的能量传输理论体系。本项目针对动态环境下无线体域网的能量和信息高效传输问题，从单点到单点WBAN能量传输方案设计与优化、单一WBAN网络能量和信息传输方案设计与优化、多个WBAN网络能量和信息传输方案设计与优化和系统仿真与实现四个方面开展研究。在单点到单点WBAN能量传输方案设计与优化方面，提出了带中继的WBAN同时信息能量传输协议，研究了中继位置对传输性能的影响；提出了基于节点数据缓存的中继选择算法，增加中继利用效率；提出基于资源分配的直传和协作传输共存的传输协议。在单一WBAN网络能量和信息传输方案设计与优化方面，面向多传感器WBAN提出基于时间分配的双向传输和联合时间和功率分配算法；面向体域网信道阴影效应造成的不公平问题，提出基于公平性的组内协作传输策略；面向体域网传感器的不同应用，提出了基于重要性与公平性思想的体域网内资源分配方法。在多个WBAN网络能量和信息传输方案设计与优化方面，面向能量维度在动态WBAN中的理论问题和应用问题，提出了一个基础应用模型；提出了基于最大比合并的联合功率分配协议与算法，保障获得系统最大吞吐量。在系统仿真与实现方面，搭建了无线体域网原理样机，提出了一种满足公平性条件的最大化网络生存期传输调度方法和人体行走姿态下无线体域网生存周期的汇聚节点放置方法。科研成果发表论文24篇，其中SCI收录17篇、EI收录7篇；获得授权专利4项；培养硕士毕业生22人，其中12人获得学位，在读10人；培养博士在读研究生3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。研究成果形成了我国独立知识产权的WBAN能量和信息传输算法，为WBAN的研究与应用奠定新的理论方法和工具支撑。