基于ieee 802.15.6的wban mac协议研究与应用based on the ieee 802.15.6 wban mac protocol research and application.docx

摘要
摘要
无线体域网,一种以人体为中心的低功耗无线传感器网络,可广泛应用于医疗、娱乐、军事、体育锻炼等领域。目前,WBAN 技术发展尙不成熟,且面临着一系列难题。由于体域网的通信信道易受人体姿态及姿态变化快慢的影响,造成一定程度的阴影效应。因此,WBAN 的数据传输质量无法得到有效保障;同时,体域网中传感器节点尺寸受限,且仅能依靠能量有限的电池供电,因此在针对 WBAN 的研究中, 必须保证节点较高的能量利用效率。考虑到以上对体域网节点特性的分析,设计高能效的 MAC 协议来改善 WBAN 中节点的生存状况至关重要,而且选择何种类型网络结构及通信方式,也会对节点的网络生存期产生一定的影响。本文针对 WBAN 中节点的传输特性,对数据的传输策略展开了深入地研究:
(1)首先介绍了 IEEE 标准中对 MAC 层、物理层及通信信道的特征描述,并讨论了 标准中定义的数据速率、距离、频率等。此外,对 IEEE 和 两个标准进行了分析、对比,并提出两个标准中访问机制及 MAC 帧
格式的差异性。IEEE 是针对个域网提出的,主要应用于低数据速率、低能耗、及低成本场合;而 IEEE 则是首个针对 WBAN 提出的国际共用标准。
(2)针对 WBAN 中节点类型的差异,导致流量需求的不同,提出一种可以应对 WBAN 中不同类型的流量需求的柔性 MAC 协议 E-MAC。在 E-MAC 协议中,依据 QoS 要求进行了流量的分类,并且介绍了一种新颖的超帧结构来避免包冲突,空闲侦听和过侦听等。此外,提出了一种独特的紧急事件处理机制来确保关键数据以最低的时延和最高可靠性进行传输。并利用公式对协议的性能作了分析对比。
(3)在 WBAN 网络中,由于体内节点更换困难的特殊性,解决其能耗需求至关重要。本文提出一种针对体内节点的新型 WBAN 技术方案—将 HBC 技术与 MICS 频段结合应用到了 WBAN 中;并提出了一种应用于 WBAN 的新型网络—即具有自适应性的基于中继的两跳星型网络及基于 TDMA 的中继 MAC 协议。仿真结果较好地体现了该方案对体内节点网络生存期的改善。
(4)考虑到穿戴式设备的应用场景,设计了人体通信场景中的 MAC 协议,并定制了针对该系统的信息帧结构;为了降低系统功耗,为系统设计了三种工作模型。结果表明,系统能够快速完成信息交互,其实时数据率达到 200Kbps,误码率亦趋近 10-8, 为 标准 MAC 协议的实现奠定了良好基础,进一步推动 WBAN 技术趋向成熟。
关键词:无线体域网;无线体域信道;能量效率;中继传输;人体通信
Abatract
Abstract
WBAN, a kind of low-power wireless work which centered by the human, can be widely used in medical, entertainment, military, sports, etc. At present, the WBAN technology development is not mature, and faced with a series of difficulties. Due to the WBAN’munication channel is easily influenced by the human body posture and the speed of posture-changing, and result in the shadow effect. Therefore, the data transmission quality of WBAN couldn’t get effective guarantee. Based on the limited size of sensor node in WBAN, and the WBAN power supply can only rely on battery which is energy limited. So we must ensure that the node higher efficiency of the energy utilization in the study of WBAN. At the same time, aiming at the particularity of nodes in the body, not only need to design energy-efficient MAC prot