远程医疗监护系统中的体域网节能策略研究

【摘要】：伴随无线通信技术和信息处理技术的不断发展，远程医疗监护正逐步成为医疗应用领域的一个重要发展方向。无线体域网因其便携、可移动、智能感知以及智能处理等特点使其在建立无形、可监测、可移植的远程医疗监护系统中成为最适合的技术之一。然而，无线体域网中的传感器节点主要靠电池供电且根据不同功能部署在人体体表或体内的特定位置，对这些节点充电或替换都会对人体造成伤害。因此，这就要求每个传感器节点都能在给定的能量下最大限度地延长自身的寿命乃至整个网络的生命周期，如何实现这一目标也成为体域网应用和发展的首要前提。 本文的研究工作主要围绕体域网的节能策略而展开，具体如下： 1)系统研究了远程医疗监护和无线体域网等相关技术。分别从物理层、MAC层以及网络层等三个层次对体域网现有的节能策略进行了类比分析，详细总结了已有研究的贡献与不足，并提出了若干今后的研究方向。 2)针对医疗监护过程中人体的部分生理信息一般都处于正常范围之内的特点，提出了一种基于模糊逻辑算法的高能效MAC协议。该协议通过模糊逻辑算法过滤掉了网络中需要发送的正常生理信息，从而减少了网络的数据流量，在提高网络节点能效的同时也降低了网络的整体时延。 3)针对网络中传感器节点数趋于饱和的应用场景，提出了一种基于转发节点的路由算法。该算法主要解决转发节点加入和离开网络后的节点路由及通信流量问题，以此得出一个最优的能耗模型，最大限度的延长单个节点和整个网络的生命周期。 4)针对无线体域网中因通信链路时变而带来的能量浪费问题，提出了一种基于网络外部链路状态信息和隐马尔可夫模型的自适应路由协议。该协议通过散播原理计算出网络中各节点的外部链路质量并经隐马尔可夫模型加以训练以选择最优的路由路径，极大地增强了网络的健壮性，同时也减少了因路由重构和数据重传带来的能量耗散。 5)针对终端节点和汇聚节点的不同功能需求，分别为其设计了一种数据通信节点，通过串口通信测试实现了无线体域网的数据传输功能。 【关键词】：远程医疗监护 无线体域网 能量受限 MAC协议 路由算法
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-15
• 1.1 引言8-9
• 1.2 无线体域网的基本概念及结构9-10
• 1.2.1 无线体域网的基本概念9
• 1.2.2 无线体域网的基本结构9-10
• 1.3 远程医疗监护的国内外发展历程10-11
• 1.4 课题的研究背景及意义11-13
• 1.4.1 课题的研究背景11-12
• 1.4.2 课题的研究意义12-13
• 1.5 面临的关键技术问题及挑战13
• 1.6 课题的研究内容及主要结构13-15
• 第二章 无线体域网节能策略综述15-24
• 2.1 WBANS的主要特征15-16
• 2.2 WBANS的能耗模式及节能策略分析16-17
• 2.3 物理层节能策略分析17-18
• 2.3.1 研究现状17
• 2.3.2 发展趋势17-18
• 2.4 MAC 层节能策略分析18-21
• 2.4.1 研究现状18-19
• 2.4.2 发展趋势19-21
• 2.5 网络层节能策略分析21-23
• 2.5.1 研究现状21-22
• 2.5.2 发展趋势22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第三章 基于模糊逻辑算法的无线医疗体域网 MAC 协议研究24-36
• 3.1 引言24-26
• 3.2 模糊逻辑控制理论概述26-28
• 3.2.1 模糊集合的定义26
• 3.2.2 隶属度函数及其确定26-28
• 3.3 FL-MAC 协议设计28-33
• 3.3.1 体征常值提取28-30
• 3.3.2 模糊逻辑模型的建立30-31
• 3.3.3 模糊逻辑算法描述31-33
• 3.4 性能分析与仿真33-35
• 3.4.1 能耗分析33-34
• 3.4.2 时延分析34-35
• 3.5 本章小结35-36
• 第四章 无线体域网网络层节能策略研究36-62
• 4.1 WBANS的数据传播模型36-41
• 4.1.1 WBANs 的通信信道模型37-40
• 4.1.2 一阶无线电模型40-41
• 4.2 常用路由机制的能耗分析41-47
• 4.2.1 单跳路由的能耗分析41-42
• 4.2.2 多跳路由的能耗分析42-45
• 4.2.3 分簇路由的能耗分析45-47
• 4.3 基于转发节点的无线体域网节能策略研究47-53
• 4.3.1 算法提出的背景47-48
• 4.3.2 CRSURN 算法描述48-49
• 4.3.3 CRSURN 能耗模型49-50
• 4.3.4 CRSURN 模型求解50-51
• 4.3.5 仿真与分析51-53
• 4.4 无线体域网中能量高效且可靠的自适应路由协议53-61
• 4.4.1 相关工作53-54
• 4.4.2 外部链路质量的计算54-56
• 4.4.3 网络连通性56-58
• 4.4.4 复杂性分析58-59
• 4.4.5 仿真与分析59-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 无线体域网通信平台的设计与实现62-74
• 5.1 终端节点的设计62-66
• 5.1.1 主控芯片的选择62-63
• 5.1.2 电源模块的设计63
• 5.1.3 复位模块的设计63-64
• 5.1.4 存储模块的设计64-65
• 5.1.5 终端节点的整体设计与实现65-66
• 5.2 汇聚节点的设计66-68
• 5.2.1 JTAG 接口设计66
• 5.2.2 串口模块的设计66-67
• 5.2.3 汇聚节点的整体设计与实现67-68
• 5.3 可行性分析68-73
• 5.3.1 芯片识别68
• 5.3.2 串口数据传输68-70
• 5.3.3 网络通信测试70-73
• 5.4 本章小结73-74
• 主要结论与展望74-76
• 主要结论74
• 展望74-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-82
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文82

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