轉換合并法在無線人體局域網的應用

蔡 捷 梁 田 楊鴻韜

（1.澳大利亞國立大學，澳大利亞；2.水利部黃河水利委員會信息中心，河南 鄭州450000）

轉換合并法在無線人體局域網的應用

蔡 捷2梁 田1楊鴻韜1

（1.澳大利亞國立大學，澳大利亞；2.水利部黃河水利委員會信息中心，河南 鄭州450000）

提高數據質量，增強穩定性以及降低功率損耗是無線BAN技術不斷革新的目標與方向。本文將闡述一種常見的無線通訊技術，轉換合并法（Sw itched Combining），在無線BAN上的應用以及對上述性能的影響與權衡（trade-off）。

轉換合并；無線人體局域網；功率控制

近年來，無線人體局域網技術（簡稱為：無線BAN）的出現將醫療保健帶入了一個個性化發展的新層次，圖1展示了一種典型的無線BAN。

圖1 典型無線人體局域網

提高數據質量，增強穩定性以及降低功率損耗是無線BAN技術不斷革新的目標與方向。本文將闡述一種常見的無線通訊技術，轉換合并法（Switched Combining），在無線BAN上的應用以及對上述性能的影響與權衡（trade-off）。

無線BAN是一個由多個穿戴式或植入式傳感器組成的無線網絡，傳感器將連續性地監測、記錄、處理及傳送代表個人健康狀況的數據[1]。為了醫務人員能夠成功分析數據，應首選大于某一確定閥值的接收信號，因此基于無線通訊中繼技術的轉換合并法在無線BAN上的應用就顯得尤為重要，特別是在提高接收信號質量以及通訊穩定性方面。

所謂轉換合并法此處主要有兩種，分別是雙分支轉換合并（Two-Branch Switched Combining）和三分支轉換合并（Three-Branch Switched Combining）。

雙分支轉換合并法的結構是由發送端（Source），接收端（Hub）和一個中繼（Relay）組成的（由圖2所示）。兩條分支分別由圖中的箭頭①和箭頭②表示。具體方法是初始化分支后，當任何一個正在使用的分支的信道增益低于特定閥值時，在下一時刻將啟用另一分支。

圖2 雙分支交換合并結構圖

對于三分之交換合并法（如圖3），若當前使用分支的信道增益小于特定閥值，下一分支將被檢驗，若大于閥值則被啟用，否則將切換至最后一個分支且無論該分支的信道增益是否大于閥值[2]。

圖3 三分支交換合并結構圖

1 試驗構建

根據IEEE 802.15.6人體局域網標準，本次測試采用2.36 GHz的載波頻率[3]。被測試個體穿戴傳感器進行兩小時的日?；顒樱ㄐ凶撸_車，辦公等等，采樣間隔為15ms，傳感器位置見圖4。

圖4 傳感器位置完整示意圖

其中，較大的藍色圓點代表中繼或接收端，分別是胸部及左右臀部，在程序中的代碼分別是1、2、3。其余較小的紅點為發送端，本次試驗中用到的有左右腳踝（4、5）、右手腕（6）、左上臂（7）、頭部（8）、背部（9）以及左手腕（10）。

此外，初始傳輸功率定為0 dBm。根據[2]我們將-86 dBm定為最優化閥值。

2 成果分析

2.1 中斷概率分析

中斷概率（outage probability）表示所使用信道增益小于特定閥值的概率，屬于一階統計（the first order statistics）。由于中斷的數據是不能被醫護人員分析使用的，所以要盡可能地減小中斷概率。

綜合所有發送端和接收端，使用直鏈（direct link）的平均中斷概率為26.63%，而應用雙分支轉換合并法后，中斷概率降為13.63%，約為之前的一半。具體數據見表1。

表1 雙分支轉換合并法的中斷表現

而使用三分支轉換合并法后，平均中斷概率僅為7.29%，約為雙分支轉合并法的一半。因此，本文之后的分析將著重于三分支轉換合并法。詳細數據見表2。

表2 三分支轉換合并法的中斷表現

2.2 轉換速率分析

轉換速率（Switching Rate，單位：Hz）屬于二階統計，代表分支轉換的快慢，與通信的可靠性密切相關且轉換速率越小代表通信越穩定。

綜合考慮所有發送端和接收端，選擇合并法（Selection Combining），即選擇使用信道增益最大的分支，其平均轉換速率為2.6223 Hz。應用三分支轉換合并法的平均轉換速率僅為1.2655 Hz（詳細數據參見表3），意味著其保證了一個更加穩定可靠的通信過程。

表3 三分支轉換合并法的轉換速率

2.3 功率控制分析

由于傳感器均由電池供電且監測是一項長期的任務，因此減少功率損耗以延長電池壽命就顯得尤為重要。功率損耗是無線人體局域網的第一設計約束，一些動態功率管理技術被應用，但在功率節約和通訊穩定性間有一定的權衡。此處我們使用一種基于信道預測的功率控制法：首先將功率余裕值（power margin）定為8 dBm，功率增減間隔為0.5 dBm，若當前使用分支的信道增益大于閥值與余裕值的和，則下一時刻將傳輸功率下降0.5 dBm；相似地，若當前使用分支的信道增益大于閥值與余裕值的差的絕對值，則下一時刻將傳輸功率增加0.5 dBm，但最高不得高于初始傳輸功率（0 dBm）。此處我們仍然重點分析基于三分支轉換合并法的功率控制結果，其中中斷概率及轉換速率結果分別參見表4及表5。

表4 三分支轉換合并法功率控制下的中斷表現

表5 三分支轉換合并法功率控制下的轉換速率

由表4計算得平均中斷概率為5.74%，較無功率控制的三分支轉換合并法只有較小的提升，而由表5得平均轉換速率為4.2298Hz，是無功率控制情況的四倍。由此可知，控制功率后轉換速率提高，這就是前文所述的在節約功率和通信穩定性之間會有一定的權衡和取舍。

3 結論

轉換合并法，尤其是三分支轉換合并法在降低中斷概率和提高通行可靠性上都有顯著的成效，而基于長時間信道預測的功率控制將會在一定程度上降低通訊的可靠性，有助于延長傳感器電池壽命，方便長時間監測、記錄、處理和傳送數據。本文的后續研究還將包括功率余裕值的優化以及功率節約量的確定等。為了滿足無線人體局域網易配置、低成本、超低損耗和高可靠性的要求，在設計優化上未來還有很多機遇與挑戰，相信在不久的將來，無線人體局域網技術將在醫療保健及監護領域做出重要貢獻，特別是在人口老齡化現象嚴重或臨床醫生緊缺的地區及國家，為遠程醫療服務提供方便。

[1]Report Information from ProQuest.

[2]D.B.Smith，Cooperative Switched Combining for Wireless Body Area Networks，National ICTAustralia（NICTA），2013.

[3]A.Astrin et al.，“IEEE Standard for Local and metropoli?tan area networks part 15.6∶Wireless Body Area Networks∶IEEE Std 802.16.6-2012”，Feb.2012.

[4]D.B.Smith，Improved Switched Combining with Coopera?tive Diversity for Wireless Body Area Networks∶Empirical Analy?sis and Theory，National ICT Australia（NICTA），2012.

[5]D.B.Smith，Simple Prediction-Based Power Control for the On-Body Area Communications Channel，National ICT Austra?lia（NICTA），2011.

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2014年2月1日。