最优补偿基于时间的互联网络干扰体内无线区域网络缓解方法

文摘

身体当多个无线区域网络(WBANs)聚合、重叠区域的通信将导致互联网络干扰,这将严重影响强加于WBAN性能的可靠性。因此,如何减轻互联网络干扰成为摆在我们面前亟待解决的关键问题在WBAN实际应用。然而,大多数当前的研究互联网络干扰集中在传统的蜂窝网络和大规模的无线传感器网络。在本文中,一个最优补偿时间干扰提出了缓解算法(OBTIM)。这个方法执行延期或通道切换时的性能WBANs低于宽容,利用建立的细胞邻居列表方法灯塔。仿真结果表明,该方法提高了信道利用率和网络吞吐量,同时,减少了碰撞概率和能源消耗,相比与contention-based灯塔计划方案。

1。介绍

无线身体区域网络(WBAN)特点是密集和高机动性的部署,特别是在保护区域或公共的地方网络密度可以变得非常高1- - - - - -4]。在WBANs,缺乏协调其中随机分布和独立机构的区域网络,可以很容易地导致互联网络干扰,严重影响网络的可靠性。研究Natarajan et al。5)表明,当身体区域网络的数量达到8以上,互联网络的干扰可能导致的损失数据率超过35%。太阳et al。6]调查医院WBAN实际应用中的干扰问题。他们的调查发现,即使在非高峰期间,只有68.5%的数据传输可以满足可靠性要求,增加节点的传输功率,干扰将变得更加严重。因此,互联网络的干扰可能导致丢失重要数据,导致错误的诊断,从而构成严重威胁患者的生命和安全7,8]。

近年来许多研究人员致力于网络干扰手机网络和无线传感器网络。例如,在蜂窝网络中,无线局域网的干扰消除技术基于避碰的载波监听多路访问(CSMA / CA)干扰补偿机制提出和研究[9,10]。针对intercluster无线传感器网络的干扰,干扰减排机制基于特定的时隙分配提出了(11]。然而,由于更大的部署密度,加强能源约束,和更关键的可靠性要求,以及全球网络,网络节点缺少信息和他们的无线电信号是高度动态的,据悉,现有的研究结果不能直接用于人体区域网络(12,13]。

在这项工作中,我们设计一个最优补偿时间干扰减轻算法(OBTIM)身体区域网络应对上述挑战。网络干扰检测的方法包括机制、异步的邻居发现方法和传输延期。该方法的新颖性是倒扣时间优化方法提出了基于线性规划来增加吞吐量和异步的邻居发现方法提出了建立邻居信息表来帮助安排的动态传输和交换的渠道根据信道状态。这些行动将执行只有在过度干涉检测,将停止继续定期数据传输干扰后缓解。通过这样做,我们减少时间延迟和能源消耗。仿真结果表明,本文提出的OBTIM优于基于信标的计划调度(14内部),该方案基于802.15.4(提供服务15),主要在以下两个方面:(1)OBTIM有更少的时间延迟和碰撞。竞争中的时间延迟将显著增加信标计划(14]因为多个运营商拦截为每个传输是必需的,和通道堵塞会导致更长的撤退时WBAN数量的增加。相比之下,OBTIM只执行延期时发现干扰,这可以减少碰撞的数量,从而减少了时间延迟(2)相比没有优化算法(竞争灯塔计划和方案内部基于802.15.4)提供服务,OBTIM少吞吐量和平均能耗自补偿时间基于线性规划的优化方法用于找到补偿时间最小化系统吞吐量。我们知道,调度操作包括数据传输延迟_,和 ,在哪里是补偿策略之前故意设置由系统发送延期灯塔。因此,是否补偿时间选择正确与否将影响吞吐量和平均能量消耗

OBTIM的优点如下:(1)补偿时间短和低延时;(2)冲突概率最低的灯塔;(3)在不同场景下的WBAN数量和通道数量,本文的方法具有更好的吞吐量;和(4)的平均能耗成功传输的数据包是明显低于其他两个方案。

本文的其余部分组织如下。部分2概述了最近的研究开发在WBANs干扰缓解气候变化的技术。部分3解释网络模型和干扰问题的方法。节4,我们获得相关的性能指标,模拟假设和方法。部分5总结本文通过总结的结果和发现。

2。相关的工作

现有的干预缓解策略主要包括技术和算法在频域,功率控制,合作交流。

在频域技术,如频带分配、频域分析和调制来实现减轻干扰。Gonzalez-Valenzuela et al。16)提出了一种基于频分多址(FDMA)的方法来分配不同的频带WBAN网络的初始化。然而,被证明是难以动态重用频段WBANs中这个方法。邹et al。17)提出了一个方法interfrequency带干扰分析和网络部署中国医疗身体域网络的设计方案。该方法考虑两个延迟的自相关样本建立窄带干扰和宽带干扰降低检测。方法的限制,其实现需要使用正交移相键控(OQPSK)物理层的调制,经常暗示需要硬件的修改。

功率控制技术是一个非常重要的多址干扰抑制的无线网络。然而,集权控制方案通常用于移动蜂窝网络不适合分布式和独立WBANs。吴et al。18)提出了一系列的方法,如一个算法基于测量每个邻居WBAN干扰,非合作的博弈理论,一个没有遗憾的学习算法。他们都是用来选择合适的通道和传输能量。这些方法的主要缺点是所需的高(超过20倍)迭代计算信道和功率达到最佳值,和在此之前的值需要经常改变,进而可能导致系统不稳定19]。Movassaghi et al。20.)提出了一种自适应干扰缓解方案身体多个共存的无线区域网络(WBANs)基于社会互动,但有一个损失的能量计算。罗伊et al。21)提出了WBAN 2-hop基于成本的节能路由协议。然而,信道的利用率和吞吐量不高。

合作交流是另一种技术,可以有效地减轻干涉密集WBAN部署。合作交流的优势在于空间的多样性。当源节点和主机节点之间的传输距离大,或收音机条件变得严重,传输可靠性和能源效率可以通过合作交流(明显改善22]。勒和卫生部23)提出了一个interference-aware traffic-priority-based链路调度(itl)算法来克服inter-WBAN干涉WBANs密集部署。然而,它并不是很有效的稀疏部署节点网络。于(24研究和设计了一个基于中断概率和中继选择策略传输调度算法。该算法进一步改进和优化通过动态时隙分配和平均信道增益预测。然而,这种方案没有考虑重叠通信领域多个WBANs所致。

金等。14)提出了时分多址(TDMA)调度机制使用分布式信号,为了避免碰撞当身体的其他区域网络试图访问相同的频道,每个信标使用载波监听传输之前,可能会增加能源开销。

考虑到广播频道的身体区域网络的特点,我们采用最优补偿基于时间的互联网络干扰缓解方法。我们考虑应用程序数据传输结合体内的周期性区域网络重新安排或切换通道互联网络的干扰,从而提高传输可靠性的影响。

3所示。系统建模和算法设计

图1描述了一个典型的WBAN-based卫生服务体系。协调器和服务器之间的通信的干扰可以通过使用现有的广域网解决技术和细胞技术。本文主要分析了邻居的干扰WBANs在无线传感器节点之间的通信,节点,协调,或植入当多个WBANs出现在该地区(25- - - - - -27]。本文建立的邻居表信号灯和干扰基于预约的缓解方法研究,以及如何避免碰撞引起的被认为是一个不完整的邻居表(28- - - - - -31日]。

3.1。问题描述

图2显示了超帧结构用于这项工作。活动数据传输阶段分为竞争(竞争访问期间(CAP))和非竞争性的时期(Contention-Free时期(CFP))。首先,协调同步每个传感器节点在WBAN广播信标B和讯信息。帽的传感器节点与其他节点通过时间间隔CSMA / CA机制,和CFP节点使用TDMA时隙发送数据的分配。数据传输完成后,节点进入睡眠模式。灯塔间隔(BI)表明一个超帧的长度, , 是0 - 3的信标帧,960年是一个常数,其值符号,和超帧持续时间(SD)代表活跃时期的长度;最初的时间参数是0.1秒。

我们考虑一个典型的身体无线区域网络(例如,一个如图1)网络 。网络的调度信息可以表示为( ),在哪里和代表了数据传输时间和间隔在网络灯塔 ,分别。代表的是渠道的数量,是下一个传输时间。此信息可以通过解码信标传输。当无线区域网络或移动接近对方,说, ,沟通会发生干涉。这是名为互联网络干扰。

图3显示了邻居的过程建立传输网络的状态表 ,这是靠近身体的区域网络 。检测干扰后,第一步是一个超帧听的时间,并在收到的灯塔 ,就知道下一个传输时间将重叠,即 ,和重叠区域 代表了碰撞。然后,将重传时间 。如果的重叠的重排超帧 ,也就是说, ,我们纪念,每天播发或者刊登 随着碰撞区域。CFD碰撞区域之外的其他时间差距。

当 无线身体区域网络传输,它是必要的,以避免节点之间的碰撞和它的邻居。 代表了新的通道数量和时隙选择后重新安排。为了减少干扰的影响,在数据传输必须尽可能小。

我们的目标是找到相应的空时间(无碰撞时间(CFD))在适当的通道与最低可能的并找到在CFD。

3.2。最优补偿时间干扰减轻算法(OBTIM)

缓解干扰算法基于最优补偿时间如图4。它主要包括以下阶段:(1)初始化:当一个经历显著的性能退化,例如,协调器识别吞吐量或数据包接收率显著下降,而接收到的信号强度没有明显下降,性能下降可能是由于拥挤而不是一个糟糕的通道。启动干扰减轻初始化和协调员进入听力阶段后,当前活动阶段(2)邻居发现:协调器监听一个超帧长度的持续时间( )收集其邻居的信息通过解码数据包灯塔。然后使用异步的邻居发现算法来记录和建立一个邻居表,最终发现了邻居(3)重新安排:协调员执行重新调度算法来确定可能的延期数据传输时间 。这一步确保了重叠的传输时间最小化,而不影响其他WBAN正在进行的传输。在重新安排阶段,如果当前频道完全占领,重新调度算法不能获得延期数据传输时间当前的渠道。它将首先找到一个通道,每天播发或者刊登。的协调员WBANs空闲信道,广播和协调员然后执行重排算法基于空闲信道(4)数据传输:新的调度计划的协调员通知所有WBANs通过信标接收信标信息后,传感器节点定期执行分配中的数据传输之前,每天播发或者刊登下一次迭代的开始。在重新传输时间传输航母传感和补偿,以避免碰撞产生的一个不完整的邻居列表(32]

如图5,存在WBAN1 WBAN2 WBAN3, WBAN4在一个特定区域。这些WBANs数据传输在同一个频道 。在一开始,只有WBAN1传输数据,而WBAN2 WBAN3, WBAN4进入附近的WBAN1在以后的时间。经过一段时间的倾听,WBAN2 WBAN3,和WBAN4重新安排特定的时间,每天播发或者刊登,以避免冲突。因此,WBAN1的传播不受影响。想象现在WBAN2需要传输;它将首先分析其邻居的信标计算的入住率和空闲时间WBAN1频道 。然后重新安排算法进行计算重新安排时间 ,然后WBAN2将开始传播 。同样,WBAN4的到来后,它试图解码WBAN1的灯塔,WBAN2, WBAN3。听WBAN4阶段,WBAN1和WBAN2已经注意到通过他们的灯塔通道职业信息。注意,WBAN3也在听阶段。它未能释放通过信标信息通道的入住率。因此,WBAN4只有入住率信息获得的灯塔WBAN1 WBAN2, WBAN1的调度时间和WBAN2通道是获得。WBAN4不知道的存在WBAN3 WBAN4听力阶段。是WBAN1调度的结束时间,的结束时间是WBAN4听。WBAN4知道从WBAN1信标WBAN1占据了通道 ,这只会结束吗 ,所以它必须等待的时间 。WBAN3同时获得的信号来计算信息通道这是通过WBAN4一样。假设WBAN3占据了通道WBAN4之前,开始传播 。当WBAN4试图通过信道传输数据 ,它会发现通道已经被WBAN3占领,所以它必须等待WBAN3完成传输。可以看出是时间WBAN4和WBAN3碰撞的地方。在 ,WBAN4可以传输,但它一直在等待一个额外的时刻,因为丢失的邻居来自其他节点的信息,然后它开始正式的传播 。

3.3。异步的邻居发现方法(ANDM)

我们做出以下假设:(1)同时节点不能发送或接收信息,但在任何给定的时间,一个节点执行发送或接收功能。一个节点,从邻国广播传播收到无误(2)每个节点分配一个惟一的标识符,它是意识到它

我们假设有邻居在一个特定的区域。我们还假设一个消息由发送方传送。我们假设消息成功传输的时间吗 。接收器接收消息成功如果没有其他发射机发射同时在指定的距离。消息将不会获得成功如果传输碰撞。我们没有全球同步,所以我们在消息包括一个序言。至关重要的是,完整的接收到消息。

定义1。节点是一个邻居节点 ,如果可以超过信噪比的要求。

定义2。节点发现 ,如果和是邻居,收到一个信息至少一次。节点可能会发现 ,但可能不会发现 。

让我们假设有总在一个区域,节点与未知位置。我们假设所有水槽节点包含相同数量的,每天播发或者刊登每个拥有相同的时间,每个人都开始随机抵消。有两种状态(传输)和(接收) 每个节点在一个时隙。的概率被称为和 ,分别与 。在每个位置,节点选择自己的国家独立传输或接收。异步的邻居发现方法主要包括以下两个步骤:

步骤1。确定槽长度。
让是消息的副本的数量被发送,是在一组正整数。开槽的操作, 并不是必须的,但在无槽的操作,它尚未确定。我们假设发射机发射在它的全部能力和传输和接收状态之间切换所需的时间可以忽略不计。让想时间需要传输一份留言吗 ,所以传输副本所需的时间 ,和一个槽的长度 。

步骤2。找到的邻居。
在节点接收状态,打开其接收和解码输入。处理这个输入假设收到错误的消息。发射机标识后信息是已知的,发现没有内节点的邻居列表,它将补充道,如果有任何新的信息,它将被更新的接收器。

让我们分析异步邻居发现方法(ANDM),以方便进一步的推导。

因为有一组有限的节点及其邻居也有限,所以会有一个有限集的关系。如果节点和邻居,他们的关系 和 都是考虑。

让 在哪里代表的数量关系由ANDM发现步骤1和描述了邻居关系的实际数量。

描述统计期望的可能位置的节点和随机抵消。

正如我们已经假定同步,不考虑消息重复,这就足够了吧 。让我们假设步骤1是固定的邻居发现。这段时间包括 槽。

让我们还假设是成功的接待一个节点的数量在一个位置,而 , ,和是固定的。因此,是一个随机变量国家对我们是未知的。因此需要计算 。

假设节点有邻居,因为所有节点行为独立,每个位置都有一个随机的偏移量。开槽真数可以被认为是 表伯努利随机变量和每个细胞都有和节点之间的发射器和接收器吗邻居。自是由节点的节点数量在任何给定的时间槽,它总是0或小于1。如果增加到大于1,这意味着有一个碰撞成功不会听到任何邻居。

在表1,结果表明,同步的邻居发现算法,每天播发或者刊登描述了一个节点的状态。每一列表示系统的状态在一个时隙后二项分布。假设节点接收一条消息从一个邻国,如果处于接收状态 ,然后只有一个邻居是在传输状态列5,6,8, 。

让的概率是听到邻居在一个插槽。然后

所有节点传输独立,《纽约时报》,邻居听到是0和之间均匀分布 。的次数代表当邻居听到的是 。算法的性能是不依赖于单个节点的邻居发现在整个网络的一部分。

每个时隙的审判邻居时可能被听到 很小,不太可能听到当插槽的数量吗很大。让 的意思是,我们可以推出的可能性可以听到任何遵循泊松分布的邻居。

3.4。重新调度算法

对于一个任意在信道分配 ,该算法首先发现其邻居列表。对于每个邻居的邻居列表中,发现有冲突的时间准备好了吗之间的和 ,为每天播发或者刊登分配的系统( )。如果一个时隙下降时间设置的冲突,然后马克随着冲突时隙。如果有一个nonconflict时间差距( )发现,nonconflict时隙分配下一个传输。如果时间间隔( )由冲突,每天播发或者刊登它显示当前频道已经完全占领了。因此,另一个通道将暂时分配,上述过程将重复检查是否存在任何nonconflict时隙(33]。

3.4.1。确定冲突时隙集

集开始重新安排时间,然后听一段是来 ,和延期间隔来 。当前的传输时间是 ,下一个时刻是传播 ,和传输时间 。 接收的灯塔在听力阶段的时刻 。很明显,在第一,如果重新安排的启动时间属于当前的传输时间 ,会有冲突 ;第二,如果接下来的传输时间落的延期时间内 ,冲突将发生在 。对于每一个时隙 ,如果时隙 ,然后时隙可以标记为一个时隙的冲突。

3.4.2。补偿的方法基于线性规划的时间优化

就像前面提到的3所示。1,每个调度操作包括数据传输延迟 ,为了最大化吞吐量,必须为数据传输延迟最小。因此,对于 ,给定的最小数据传输延迟 ,这项工作的目的是找出一个时隙的非竞争性(无碰撞持续时间)的通道 。的开始时间是 ,和数据传输时间和吗是一个固定值。

我们做一个假设,所有系统中的WBANs有相同的传输时间和相同的 ,和传播秩序频道是前面一个旁边下;因此,信道容量如下:

积分操作;请注意,实际上是反的 。的倍数渠道系统中可用,那么WBAN可以达到的数量

关于传输延迟 ,它可以被定义为从源传输时间的时间重新安排时间,其中包括补偿时间和工作延迟 。 代表后退一段时间之前发送延期信标。为了防止一个不完整的邻居列表或隐藏终端,系统设置回退策略故意。表示延迟引入调度过程中由于一些因素,一个是在传播阶段;为了避免重叠WBAN与邻国,它需要延迟一段时间。另一个可能是当一个节点失败与其他竞争WBAN渠道;它需要等待下一个时隙。显然,节点将扫描渠道寻找合适的调度在当前频道。找到一个合适的调度方案之前,传输延迟必须符合以下条件:

每个WBAN有三种状态,即干扰传输状态,执行状态,正常传输状态。相应地WBAN转换这三个州。当发生干涉时,WBAN传输可以影响严重,这将开始重新安排算法来找到一个合适的渠道;干扰降低后,系统恢复正常操作,直到下一个干扰。

假设系统已经运行迭代,造成的延迟时间算法和普通的传输时间 。然后,时间的算法 :

吞吐量常规传播有关WBAN的数量,可以表示为一个函数的数量WBAN如下:

为了避免冲突,每个调度操作包括数据传输延迟 ;是否合适不合适,这将影响系统的吞吐量。解决上面的问题可以解释为寻找一个合适的补偿时间最大化吞吐量可以抽象地摆出一个线性规划问题,在同意条件下 和 。数学模型可以重写最大化目标函数如下:

用公式(8)和(9)方程(10),我们有

从公式可以看出(9),减少的时候增加;因此,它可以被认为是严格凹的。是某种积极的时间, ,然后约束空间对应于不平等:

这个问题的拉格朗日函数如下:

在这种情况下,最优的解决方案 可以获得,相应的满足以下公式:

考虑到是凹函数,根据需求定理可微的条件下,求解 ,相当于以下问题: 或

显然 ,这是相当于解决 , ,和在公式(17)的条件 。

假设系统吞吐量的最大时间点,我们可以获得由公式(17)以下:

3.4.3。重新调度算法的实现

在重新安排阶段,如果当前频道完全占领,重新调度算法不能获得当前通道的重新安排数据传输时间。它将首先找到一个通道,每天播发或者刊登。的协调员WBANs空闲信道,广播和协调员然后执行重排算法基于空闲信道。算法1显示了重新安排算法。

4所示。仿真和结果

我们假设每个WBAN包含一个协调器和一个传感器节点。物理层参数设置根据IEEE802.15.4标准。椎体路径损耗模型被认为是,路径损耗指数是2.4的阴影标准差6 dB。我们选择超帧长度 和无线数据速率为250 kbps,考虑到典型的医疗脑电图和心电图应用已经达到5 kbps的数据速率和温度,呼吸和脉搏传感器通常有1 kbps的数据速率。所有这些传感器相结合,利用交通负载从5到25 kbps / WBAN变化。交通对所有WBANs设置相同的为了简单起见,如表所示2作为一个指定的场景。

我们假设每个WBAN用户占地面积5 ~ 10平方米,5随机移动用户 空间。之后,我们还模拟10和20个用户的情况下。我们考虑随机路点模型34,35)运动。

我们可以发现邻居的数量的增加和交通负荷WBAN,干扰将会增加。这将导致更多的损失灯塔。从图可以看出6,即使在最坏的情况下(10-WBAN聚合和25 kbps交通),我们提出的方法可以确保捕获超过91%的邻居邻居表信息的无线人体局域网。因此,至于延期,邻居列表被证明是一个有用的工具,可以提供足够的信息来保证可靠传输。

图7描述了该方法的平均延期推迟了三例:5 WBANs单通道;10 WBANs单通道和20 WBANs双通道。结果表明,在单通道延时小于0.09秒,证明它总是小于( )和WBAN可以找到一个合适的调度方案在当前频道。在双通道的情况下,延迟增加,但仍不到( )。通信流量的增加,越来越难找到一个合适的重新安排,但0.135秒的最大延迟仍适用于大多数应用程序。

图8表明竞争灯塔计划需要多个载波为每个传输传感。在这个方案中,无线体数量增加时由于缺乏一个有效的手段,通道切换、信道拥塞会导致更长的补偿时间和延迟将显著增加。OBTIM只执行延期当干扰的条件被检测到,它减少了碰撞的数量,从而导致最小化延迟。

灯塔碰撞概率在三个方案比较图9。通过使用延期策略,OBTIM碰撞概率是最低的。内部的802.15.4基本方案提供服务,因为传输在固定时间表,碰撞是最高的。竞争的灯塔计划,WBAN竞争与所有邻国WBANs访问通道;因此,碰撞发生的多干扰的减排方案(我们建议)。身体的大部分数据在无线区域网络有周期性,一旦发生冲突,每一帧将整个干扰冲突时期。

图10描述了三种不同的数据吞吐量WBANs和通道数,OBTIM优于30%和18%内部相比802.15.4基本方案和提供服务竞争灯塔计划,分别。(a)和(b)也描绘,如果WBAN增加从5到10,内部的性能802.15.4基本方案提供服务显著减少。此外,竞争的时间延迟beacon-enabled计划较大,经常和碰撞。虽然在每个通道WBANs的平均数量是相同的,吞吐量的OBTIM比单通道的双通道的场景。这是因为其他方案只能在当前频道竞争,导致吞吐量持续下降。

如图11,因为OBTIM能有效避免碰撞,,因此,减轻干扰,有助于减少重传。的平均能耗干扰缓解方案成功传输的数据包是明显低于其他两个方案。每个包的能源消耗的方案是20%低于竞争灯塔计划和16%的内部比802.15.4基本计划提供服务。当通信负载的增加,后两个方案需要消耗大量的能源为多个运营商拦截。

5。结论

摘要分布式互联网络干扰减排方案提出了身体传感器网络领域。方案考虑完全低利用率的网络渠道,采用基于最优的调度策略补偿时间,以便传输时间和通道网络时可以选择合理的干扰:(1)当信道利用率低,人体区域网络由协调器自由时隙改期,和(2)当当前频道完全占领,协调器开关通道。仿真结果表明,该方法内部的OBTIM优于802.15.4基地提供服务方案和竞争信号方案生产更少的碰撞,更高的吞吐量和更低的能耗。此外,WBANs的密度增加时,该方法使频道切换到传输条件,做出合理的调整,确保数据传输的可靠性。

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

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(61971248)、国际科技合作项目(2016号d10008),宁波重点科技计划(2025)项目(2019年2018 b10075 2019 b10125, b10028),和浙江省重点科技项目(2020 c03064)。

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