文摘
本文通过研究和分析通信网络的物理活动监控系统,我们将可穿戴技术和识别技术和设计相结合的身体健康监控手镯多方面的物理数据收集和有效身份匹配功能。我们匹配的身份通过芯片和收集体能锻炼的过程中生成的数据实时传感器和集中测试。最后,数据传输是通过无线通信实现函数达到监控的目的体育锻炼,提高身体素质。确保信息传递的连续性和稳定性,直接传播和间接传播的联合传输方法是至关重要的。此外,考虑传感器节点和中继节点的能量因果关系的限制,一个协作传输模型,基于无线认知网络的无线人体局域网。功率分配算法,根据最大比合并和无线认知网络,提出了为未来的研究提出了一个新想法的无线区域网络资源分配。
1。介绍
microintegrated电路工业的发展,芯片正变得越来越小,消耗能源越来越少,从而导致微型低功耗智能传感器的生产。基于这些技术的进步,无线传感器网络(WSN)促进了医疗和远程医疗的集成,这些微型低功耗智能传感器可用于监测人们的身体活动信息在日常生活或医院门诊1]。因此,身体的无线区域网络(WBAN) [2)已经出现,连接各种智能微型传感器戴在身体或放置在身体的表面,不断在实时监控重要生理信息。在这个阶段,身体的无线区域网络的研究仍然面临着许多挑战和困难,能源供应、能源消耗控制、服务质量、通信距离,和安全都是需要考虑的问题的研究身体的无线区域网络(3]。其中,能源供应问题是无线区域网络研究的主要问题,决定了网络的生存周期,和能源供应的方式将不可避免地影响使用网络的经验(2]。无线认知网络的主要区别和以前的通信网络是动态频谱分配。为了实现这一目标,认知无线网络有四个过程:频谱感知、频谱决策、频谱共享和频谱切换或移动。
因为大多数的身体区域网络中的传感器节点微型化的特点。电池的能量密度在节点是有限的,和电池可以携带的能量非常有限;一旦电池能量耗尽,网络将停止监测人体,危及生命和财产安全的用户(4]。然而,它是非常方便更换电池和充电经常反复,特别是对于传感器节点放置在人体内部,它是非常困难的甚至是不可行更换电池,严重限制了工作生活的无限的身体区域网络(5]。除了医院的病人使用,还可以监视的无线人体局域网的健康正常的人,比如体育运动员,和可以监视他们的运动心率、脉搏、疲劳程度,和其他重要的实时数据,不仅可以提高运动员的效率的专业培训,也使运动员的培养更多的计划(6]。同时,身体的无线区域网络在群众的日常生活中有着重要的应用。在本文中,我们设计一个监控手镯,它结合了多方面的身体健康身体健康数据收集和有效的身份匹配,能收集数据来自学生的运动过程和集中实时检测在许多方面实现的目的减少事故在体育运动在体育测试期间和防止数据造假。
由于TCP / IP协议是非常简单的和可靠的,他们的组合决定了大多数当前的通信方法(从有线主干网络混合网络)。现在,TCP协议已成为事实上的标准对于大多数应用程序。TCP协议最初是为有线网络设计的。在有线网络中,随机比特误码率是微不足道的。交通拥堵主要是由包丢失而引起的。虽然这种传播方式保证了可靠的网络传输的本质,冗余考虑的影响因素很多,如可用的路径,必须从端到端传输,信息传输的相对较长的准备时间。无线网络在过去的几年中发展迅速,和不同智能类型的终端设备(一个接一个出现7]。移动节点在移动自组织网络可以独立执行各种计算和一个已知的范围内就可以互相交流了。除了上述优点外,这个网络不能保证数据传输的可靠性和速度信息和与TCP / IP节点相比,主要是由于节点本身的性质,交流范围,和环境,导致各种传输延迟。
首先,无线信道特点和网络结构的身体区域网络,介绍了多点能量和信息传输模型构建的无线人体局域网。波束形成技术应用于无线区域网络,和使用多个天线传输模型AP提高能源效率的信息传输。然后,减少能源和信息传输延迟的影响,delay-limited全新和实现容忍延迟传播模型应用于完成通信过程。使用“collect-then-transmit”协议,两种传输模式的吞吐量在深度调查,和准确的比较和渐近表达式的吞吐量最大化吞吐量和优化系统性能。最后,仿真验证了模拟。
2。通信网络设计体育活动监视
2.1。现状的研究
电子信息技术的不断发展带来了更先进的可穿戴设备与可移植性等特点,高灵敏度,低成本,更容易被人们在日常生活中8]。可穿戴设备也可以称为可穿戴计算机,因为他们可以收集各种数据来自人们的身体活动,包括运动和生理数据,就像微型计算机(9]。可穿戴设备在1960年被发明以来,发明者是美国麻省理工学院的媒体实验室技术是为了方便人们的生活,发明的原始可穿戴技术是结合各种传感器和一个主控制器,允许在便携式空间数据处理和模拟信息转换为数字信息10]。
Pavithran等人设计了一个马尔可夫的连锁酒店忠诚度奖励模型能量收获身体节点在无线区域网络基于人体的运动状态和计算损失的速度与能源消耗人类活动的信息提供要求的设计未来能源采集节点在无线区域网络(身体11]。Yingling等人提出申请跨层设计最大化不同拓扑的能源消耗12]。王等人设计了一个节能的无线数据传输策略的身体区域网络基于能量收集技术,由传感器节点可以选择的最优传动功率数据传输(13]。上述研究的基础上,基于身体小型无线区域网络的特点,结合有限的能量在身体的无线区域网络传输和能源信息传播的低效率(14),我们考虑将延迟传播模式引入无线区域网络。后推导、分析、仿真、验证和其他进程,它是否能解决问题的无线区域网络和身体是否适合无线区域网络(15]。
崔等人提出的凸文中针对组合最小参数稀疏阵列体内无线区域网络(WBANs) [16]。安瓦尔等人讨论无线能量和信息传输的组合WBANs和开发三个应用程序模型强调关键设计挑战,解决方案,和机会17]。烟草等人分析的可靠性WBANs和量化的可靠性WBANs基于网络生命周期(18]。WBAN可靠性的量化是基于网络生命周期和可靠性的一般公式表达的传感器的数量和组特征参数(GCP)和可靠性上下界。基于可靠性的单调性,提出了一个算法使用平均GCP计算最小和最大数量的传感器对于一个给定的网络生命周期和最优数量的传感器对于给定可靠性。
2.2。通信网络设计
认知无线电网络包含两种类型的用户,主要和次要用户。主要用户用户频谱访问许可证,优先使用通信信道和没有认知供应。二级用户是没有授权的用户对于频谱访问,认知用户和认知供应。他们可以访问范围和使用通信信道只有如果没有主用户,没有造成任何干扰主用户,谁离开通道当主用户重新出现。认知无线电用户选择的空置部分频谱,可以满足他们的传输质量要求。
传感可用频谱乐队后,subuser选择最佳可用频谱带传输,以满足其服务质量需求,叫做光谱决定。这个过程包括三个步骤:第一步,光谱分类subuser根据检测数据,主用户的干扰水平终端接收器,和路径距离损失主要和次要用户的一端;在第二步中,收集的信息处理中心,准备一个可用的频道列表根据活动需求的主要和次要用户;在第三步,最好的频道播出的认知用户,调整其收发器参数来实现通信的可用频带(19]。
第一种频谱共享是基于光谱类型共享和分为两个子目录:第一个是未经授权的频谱共享,所有用户都具有相同的优先级和次级用户只能访问频谱不许可,或者如果频谱是免费的,用户可以访问。第二种类型的频谱共享授权频谱共享、信道访问的网络是基于优先级和主用户拥有更高的优先级访问通道,而二级用户只能访问通道没有主要的用户。第二种类型的频谱共享共享网络体系结构的基础上,分为两个子目录:第一个是集中共享,网络处理器控制频谱访问和配置,和每个用户的网络将其需求和信息转发到网络处理器,从而使得频谱分配。第二种类型是分布式共享,使用分布式频谱共享基础设施不可用,并且每个节点负责频谱访问和分配。频谱共享的第三种类型是基于共享的访问,这是分成两个子分类:第一个是共存频谱访问共享,它允许二级用户同时传输与主用户不造成任何干扰主用户的频谱共享。通常,二级用户使用扩展频谱技术充分利用下面的光谱和需要保持他们的权力的干扰阈值最小化干扰主用户,这是通过主接收机测量自己的接收功率。第二种类型是机会频谱接入共享,伺机在二级用户访问空频谱当主用户频谱。由于二级用户使用主用户的频谱只有在没有,它最大限度地减少干扰和频谱利用率的影响在主用户(20.- - - - - -24]。
认知无线电网络架构图1,它分为两个部分:授权网络和认知网络,包括主要用户基站和认知用户基站,除了初级和中级用户。主用户网络中一般可以操作某些谱带,只有主基站可以访问和管理操作,当认知用户路由、传输、MAC协议的功能,与其他认知用户通信的能力。主基站一般不能实现共享与认知无线电用户频谱的影响,和认知用户认知无线电基站提供了访问服务各种subusers没有频谱牌照。
从上面的认知无线电的概述,可以看出,认知无线电技术应用于网络网络是一种有效的网络架构来提高频谱利用率,缓解频谱短缺,这可以减少数据响应延迟和传输成本,提高数据速率和网络网络中的适用性。
无线信道的开放性和广播特性使信息的安全传输面临着严重的挑战。传统的安全通信主要是加密数据通过上层网络协议栈,这方法固有的困难和弱点在键的分布。作为一个补充传统的加密技术,物理层安全技术近年来被广泛研究和印刷。物理层安全技术使用的物理层特征通道,确保机密信息的安全传输信息理论的基本原则。与传统密码学相比,物理层安全技术的优点是不依赖于计算的复杂性,所以,即使窃听者配备了强大的计算设备,它仍然可以确保安全可靠的通信。
身体的无线区域网络的通信信道模型body-surface-in-body, body-surface-in-body, body-surface-in-body, body-surface-body,和身体通道模型,如表所示1。body-surface-in-body通信信道模型的其他应用领域具有较低的误码率要求和更高的传输延迟和传输速率的要求。身体因为在这些应用领域,无线区域网络传输音频和视频,需要高传输速率和传输延迟,确保用户体验。然而,数量少对用户体验的影响,要求更低的误码率。除了前面介绍的无线人体局域网的性能要求,使用寿命的长度也是一个重要的要求,特别是在医学应用。更长的寿命不仅提高了用户体验,而且还降低了更换和维护的成本,减少WBAN维护由医务人员的数量。此外,抗干扰和身体不同的无线区域网络之间的共存也逐渐在应用程序的重要性。
根据理论和传播模型,测试的平均接收功率衰减对数增加发射和接收设备之间的距离,和任何传输与大规模的衰落可以表示为 在哪里(dB)的路径损耗参考位置 , 路径损耗指数,是一个高斯分布的随机变量均值为0,方差吗表示收发设备之间的阴影衰落。这将导致以下通道系数n射频能量塔和k multi-RF中的传感器节点能量塔无线区域网络。
传感器节点后补充能量在WPT阶段,他们传播信息数据的活动,独立到手持设备由每个时段内分配免费的美联社。假设传感器节点可以只使用一个固定比例的能量传输的信息。
如果数据发送的信号kth传感器节点到手持设备 ,数据信号由手持设备的接收kth传感器节点可以表示为
假设最大比合并技术实现在美联社最大化接收的信噪比,最后在美联社可以写成信噪比
图2显示了一个SWIPT与多个天线混合网络接入点(HAP)将能量和信息一起发送给多个接收者(Rx),其中一些有能力接收能量和信息(Rx 1 - 4),其中仅接收信息(Rx 6)或能源(Rx 7)。因为呃接收机的灵敏度−10 dB和电力ID接收机的灵敏度−60 dB,嗯接收器比D接近发射机接收机的有效能量接收。因为生成的波形发射机HAP直接决定了能量和信息传输的性能,所以信息(能量)的效率最大化传播在极端情况下,偶然可以忽略的能量(信息)接收机和优化波形。然而,这种不平衡的设计可能会导致贫穷的能量和信息传输性能的根本差异的最优波形能量和信息传递。实现最优rate-energy权衡,能量和信息传输的波形设计需要遵循rate-energy权衡,而相对应的接收机结构和信号处理可以影响rate-energy权衡的表征。理想SWIPT接收机能够解码信息,推导能量相同的信号不能通过实际电路。
如图2,TS接收器Rx 1,呃,成分和ID接收器形成TS接收机,ID接收器是一个传统的信息解码接收器。处方1的HAP传输能量和信息传输块划分成两个正交时段用于传输能量和信息,可以在每个时间段优化传输波形。因此,Rx 1接收器可以定期收集能量的两届槽之间切换和解码信息,然后实现不同rate-energy (re /)权衡通过改变能量转移槽的长度。
除了设置湿的最佳时间在第一阶段,collect-then-transmit协议的另一个重要的问题是设计一个有效的多址方案协调用户UL信息传输在第二阶段。在以前的无线通信系统中,信息传输速率传感器远离HAP传感器附近的HAP相比低。这公平问题是一个困难和重要的无线通信网络。因为重要的信号衰减,传感器远离HAP (U)收获DL但消耗更多的能量较低的无线能量传输信息的UL比传感器附近的HAP (U)。
2.3。身体活动监测系统的设计
软件设计包括主控制模块的程序设计和各功能模块的程序设计,如图3,它显示了系统的软件工作流程。基于NRF51822芯片上的界面,主控制模块的目的是收集和处理生理数据,建立无线通信与应用程序方面,发送和接收数据包,并实时更新显示的手镯。
在这个模型中,中继节点使用时间分配协议或权力分配协议解码信息和收集能量,然后使用收集到的能量来协助转发的信息。协作传输不仅扩展了网络传输距离也增加了系统的吞吐量和能力。它是一个重要的传播技术学术界和产业界的极大兴趣。身体中继节点应用于无线区域网络通常负责按位传输的物理层信息目的和源节点之间的信道状态不佳或多个传感器节点资源分配不均。在这篇文章中,将使用再生协作传输中继传输方法。身体无线区域网络短程通信网络,所以引入中继传输将大大增加中继节点之间的信道状态来自,,它还可以避免造成的干扰信号来自多个传感器节点到源节点在一定程度上。
解决部分PA算法的碰撞现象,SA算法开发,将时间划分为许多基于PA算法和离散时间槽将时段划分为三种类型的时段:成功的时段,碰撞时间槽,空闲时间槽的数量根据信号返回的标记。时间槽的长度必须大于数据传输所需的时间。标签是成功成功地在时间槽,和标记在空闲时间段发送数据;碰撞时间空档,标签碰撞发生由于多个标签同时发送数据和系统随机延迟几个时段在碰撞前的重新发送数据成功,直到所有的标签都被读者,算法结束。
识别标签信息之后,读者发送一个应答信号对应的标签,和相应的标签进入休眠状态,算法结束时所有的标签是公认的成功。因为PA算法,标签随机发送数据的时候,和信号发送多个标签部分重叠,导致标签之间发送的数据的干扰。有一个部分的碰撞。因此,它有一个非常低的吞吐率仅为18.4%。
体内无线区域网络,传感器节点放置内部或表面的人体,并且节点彼此不远,所以所有传感器节点之间的距离和射频能量塔或手持设备几乎是相同的,和不平等问题似乎消除了表面上。然而,应该注意的是,不公平问题从根本上由于节点之间的信道条件的差异,和体内无线区域网络,人体器官,四肢,和服装产生更严重的阴影衰落,使传感器节点的信道条件有很大区别。因此,不公平仍然存在于无线区域网络,传感器节点之间和吞吐量的不公平分配会影响用户体验,甚至威胁到生命安全的用户,因此它是一个迫切需要解决的问题。
ICD的显示数据值显示,警报被触发时,如果数据超出了正常范围。存储的值发送到服务器的帮助下。存储在服务器上的所有值都按时间顺序,和监视器可以登录查看数据监控的人通过登录凭证,然后它可以掌握运动员的体温和心率在实时运动期间,监控在锻炼,他的身体状况,有效地避免体育事故。这些数据也可以用于制定个人培训计划来达到最好的运动训练的结果。
3所示。结果和分析
3.1。通信网络性能分析测试结果
在本节中,提出了吞吐量模拟和验证全新的MATLAB实现容忍延迟传播模式。此外,推导出最优系统吞吐量和系统性能优化全新通过比较和分析实现容忍延迟和delay-limited传输模式相同的模拟条件下,提供全新的实现容忍延迟和delay-limited传输模式是不同的。在所有模拟后,多个等距传感器,我们美联社和传感器之间的距离你;多个不平等的距离传感器,我们模拟基于提供的数据;美联社使用mid-waist节点,其他节点十部分传感器节点。信道模型问= 103路径损耗指数α= 2,收获和能源效率n= 0.6。
图4情节之间的关系美联社AP平均吞吐量和传输功率的不同数量的天线在一个传感器。全新的实现容忍延迟模式下,渐近吞吐量快速方法准确的吞吐量随着美联社传输能量的增加,虽然有差距时,两个传输能量很低。这个数字还表明,全新的系统吞吐量实现容忍延迟模式提高传输功率和天线数量的增加。
图5显示AP上的天线数量的影响对系统吞吐量在不同能量收获时间在一个传感器。随着天线数量的变大全新的实现容忍延迟模式,相应的系统吞吐量增加。然而,吞吐量曲线的斜率逐渐减小,这与我们的理论分析是一致的,因为平均吞吐量ψ函数成正比的天线的数量。同时,能量收获时间如图5不会影响系统吞吐量的全新的天线数量实现容忍延迟模式。例如,当价值从0.2增加到0.4,全新的吞吐量实现容忍延迟模式是改善。然而,从0.4增长到0.6时,系统吞吐量下降明显N≥2。
所有传感器节点获得的总吞吐量在5个不同位置如图6,每个传感器节点获得的吞吐量在5个不同位置如图6。见图6,系统可以获得一个伟大的总吞吐量,最低的吞吐量21 Mbit / s。获得的总吞吐量之间的差异由传感器节点在位置2,3,4,和位置1和5大,接近2 Mbit / s。这是由于传感器节点在位置2,3和4都接近射频能量塔和可以收集足够的能量,所以他们可以获得一个更大的吞吐量。在位置1和5,传感器节点远离一些射频能量塔和收集能量相对较少,所以获得的吞吐量也小。在图6的四个长方形酒吧在每个五位置显示四个传感器节点的吞吐量,为方便分析和比较,传感器节点按降序排列的吞吐量。从图可以看出,每个传感器节点获得的吞吐量的差异在每个5位置很大,最大吞吐量是17倍的最小的吞吐量。
平均公平指数浮动不是很大,5的位置,但是值很小,主要是0.374上下抖动。由于病人的姿势和服装的随机性,导致更大的随机性的无形的衰落,和总吞吐量最大化机制忽略了系统的公平,不控制资源分配的公平,公平的平均指数定期5位置不会改变。从以上三个数据,可以看出,虽然总吞吐量最大化机制可以获得一个伟大的总吞吐量,有效地提高系统的效率,系统的公平是极低的,传感器节点的吞吐量差距非常大。这是因为总吞吐量最大化机制分配更多的网络资源与更好的信道条件传感器节点,系统效率最大化,忽略了传感器节点的吞吐量要求信道条件差,导致网络资源分配的严重不平等。
总吞吐量最大化机制使系统获得一个伟大的总吞吐量,但系统的公平是极低的。强制平等吞吐量机制,虽然有效地改善系统的公平性,严重失去了太多系统效率。两种资源配置机制牺牲一些传感器节点的效率;前将更少的资源分配给传感器节点信道条件恶劣的获得一个非常小的吞吐量,而后者减少了资源被传感器节点具有良好的信道条件来减少他们可以获得的吞吐量。
3.2。监控系统性能测试结果的分析
心率测量方法用于MAX30100传感器光电传输,它使用的差异之间的光吸收携氧血红蛋白和non-oxygen-carrying血红蛋白在血管中实现测量。led的光源通常由两种类型:可见红光波长为660 nm和近红外光波长940 nm。传感器内部的LED灯发出将通过身体的光型层和传输速率与动脉脉动充盈量的变化会改变;此时MAX30100内置的光电转换器将光线反射到身体的组织和将被转换成电信号,然后放大和输出。图7血红蛋白吸收光谱。
本章使用集成电路通信接口直接读取MAX30100内存;具体工作流程包括以下:首先选择COM3端口打开,选择38400年的波特率,并选择没有奇偶校验位。最后收集到的数据通过串口输出到计算机,在生RedValue和生IRValue原始数据收集的红色和红外LED的带领下,分别。
图8显示了能源效率和渠道的数量N /通道计数间隔0到125,这表明随着通道数N的增加,能源效率迅速提高。这一现象的原因是,当网络中可用频道的数量增加,它允许更灵活的分配渠道subusers网络,从而实现更高的能源效率。它也表明,在本章提出的算法实现能源效率最高的三个参考算法相比,和能源效率改进的价值变得更大数量的可转让的渠道网络变得更大。这表明在本章提出的算法时特别有效的可转让的渠道网络。
介绍了两个网络架构的无线能量传输技术的应用推力更少的通信网络和分析两个体系结构之间的差异。减少网络的不公平,本文采用异性结构的网络结构系统模型进行了研究。同时,本文改进了系统模型的现有研究成果,提出了一种无线充电的身体系统模型与多个射频能量塔和建立区域网络模型基于该系统的能量和信息传输模型。这个系统模型可以为传感器节点提供更多足够的能源以确保其稳定和连续的工作,具有一定的实用性。
4所示。结论
本文关注的是多点的网络资源分配问题分类基于无线的身体区域网络的射频能量的传播。考虑到阴影衰落产生的人体和服装,多传感器节点通信的无线人体局域网只有通过直接传输的交流很容易中断。身体的无线区域网络与信息传输的可靠性和连续性要求高,系统模型结合的多传感器节点的无线人体局域网直接传输和继电器的传播更为实用。在本文中,我们首先提出一个多传感器协作传输模型节点无线区域网络。然而,任何传感器节点采集的数据是非常重要的参考信息使用者和医务人员。从医学角度来看,一种新型的分类模型的无线人体局域网提出了分组显示多个传感器检测到信号,根据人体的位置在同一组传感器可以发送公共信息。pricing-based方法分配能源资源合作认知无线能源供应提出了通信网络。多载波协作认知无线通信网络能源供应,其中包含一个认知基站和多个subusers共享无线频谱的能源供应的主要用户。通过评估的故障概率和遍历容量在给定的能量收集时间,我们调查这两家公司的平均吞吐量表达式为每个延迟传播模式。两种延迟传播模式也由模拟相比,全新的吞吐量实现容忍延迟传播模式优于delay-constrained传输模式在某些情况下。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。