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无线体域网环境中的路由协议与数据融合研究

作　者: 韩书平
导　师: 钱良
学　校: 上海交通大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线体域网业务分类路由协议数据融合
分类号: TN925.93
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着传感器技术、通信技术和计算机技术的发展,无线传感器网络(WSN)在21世纪的信息产业中发挥着越来越重要的作用。WSN在医学人体生理特征监控、无线智能位置定位等领域的应用,逐渐引申出了无线体域网(WBAN)的研究。IEEE 802.15工作组TG6正在定义的无线体域网与传感器网络有很多相似之处,但是由于人体介质的引入,以及医学应用的特殊性,使得此种网络与现有的传感器网络又有显著的区别。由于医学传感器的节点能量受限,节能问题成为了WBAN中首要考虑的问题,因此本文的研究主要围绕WBAN中的能量有效性问题展开。WBAN的通信过程消耗了大量的能量。在多跳网络中,通信过程涉及通信路径和通信内容两方面,因此可以通过研究如何选择高效的通信路径和尽量减少不必要的通信内容来有效的解决WBAN的能量受限问题,这也就是本文的两个研究方向:路由协议与数据融合。首先,本文研究了WBAN与其他自组织网络的不同,重点分析了WBAN在信道传播模型、受人体影响、业务类型以及特殊业务需求等方面的特点,提出了无线体域网的设计目标以及研究方向。其次,通过研究现有的路由协议算法,结合WBAN受信道影响、节点业务类型需求等特征,提出了能量有效的路由协议EE-DSR。通过NS-2的仿真结果表明,EE-DSR在网络节点个数中等或较大的情况下,可以有效地选择节省能量的路径,提高了网络中第一个节点的死亡时间;通过对特殊业务节点的考虑,充分利用了网络中的剩余能量,提高网络的生存周期。仿真也表明,这样的方案带来了网络的时延问题,但最大的时延仍然符合应用的需求。再次,由于和信息处理相比,比特的发送(或接收)需要占据大量的能量消耗,因此本文的另一项工作是通过数据融合的方法,尽量减少冗余信息的发射,提高传输的有效性。本文分别就高速和低速两种数据处理情况展开讨论。具体而言,文章针对以视频为代表的高速码率业务,利用信源信道联合编码的概念,通过H.264的数据分割功能,对不同重要性的数据采用不同的保护策略,并根据信道的反馈信息,调整编码策略、网络打包器的打包方式以及发射功率和发射时间,从而最大限度地减少不必要的数据传输,节省能量消耗。此外,文章针对以常见的心电信号为代表的低速医学业务,分析讨论了心电信号的预处理、QRS波检测、特征参数提取等过程,然后根据现有的语音编码中使用的代数码本预测的思想,对心电信号的处理过程进行了细节研究。最后,本文根据这些业务需求,设计了相关的硬件处理框架,并在此基础上进行了业务模块的硬件方案实现分析。根据所选方案设计了硬件电源、时钟、存储需求和接口设计等模块,为后续的算法验证和演示提供了完备的硬件平台基础。

全文目录

摘要  5-8
ABSTRACT  8-11
缩略语  11-12
目录  12-14
图表目录  14-15
第一章绪论  15-20
  1.1 无线体域网的概念  15
  1.2 无线体域网的应用  15-17
  1.3 无线体域网的研究现状  17-18
  1.4 本课题研究目的和意义  18-19
  1.5 本文内容和组织结构  19-20
第二章无线体域网环境的基本概念  20-28
  2.1 无线网络分类  20-21
  2.2 无线体域网的主要特点  21-25
    2.2.1 信道传播模型  21-23
    2.2.2 人体运动影响  23-24
    2.2.3 业务类型影响  24-25
    2.2.4 特殊业务需求  25
  2.3 无线体域网的设计目标  25-26
  2.4 本章小结  26-28
第三章无线体域网环境中的路由协议分析  28-50
  3.1 路由协议概述  28-31
    3.1.1 Ad Hoc 路由协议  28-29
    3.1.2 无线传感器网络路由协议  29
    3.1.3 节能的路由协议  29-31
  3.2 DSR 路由协议  31-33
  3.3 EE-DSR 路由思想及实现  33-41
    3.3.1 EE-DSR 路由机制分析  33-35
    3.3.2 EE-DSR 路由算法实现  35-41
  3.4 EE-DSR 仿真与性能分析  41-48
    3.4.1 仿真环境  41-43
    3.4.2 结果分析  43-48
  3.5 本章小结  48-50
第四章基于业务的数据融合原理及实现方法  50-75
  4.1 数据融合的基本概念  50-53
    4.1.1 数据融合的定义  50
    4.1.2 数据融合的分类  50-51
    4.1.3 无线体域网中数据融合的作用  51-52
    4.1.4 无线体域网中的业务区分  52-53
  4.2 基于高速码率业务的数据融合  53-61
    4.2.1 信源信道编码分析  53-54
    4.2.2 视频编解码标准H.264  54-56
    4.2.3 能量高效的视频传输系统  56-61
  4.3 基于实时低速码率业务的数据融合  61-73
    4.3.1 心电信号分析  61-65
    4.3.2 时域特征编码算法分析  65-67
    4.3.3 基于特征参数的心电信号处理  67-73
    4.3.4 心电信号处理改进方向  73
  4.4 本章小结  73-75
第五章实现方案及硬件设计考虑  75-84
  5.1 方案选择与设计  75-80
    5.1.1 可选方案平台  75-76
    5.1.2 方案比较分析  76-77
    5.1.3 实现方案  77-80
  5.2 硬件电路设计考虑  80-82
    5.2.1 电源和时钟设计  80-81
    5.2.2 存储设计  81-82
    5.2.3 接口设计  82
  5.3 本章小结  82-84
第六章总结与展望  84-86
参考文献  86-89
致谢  89-90
硕士期间完成的论文和专利  90

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