心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化

錢蘭美

摘要：建立心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能效模型和傳輸時延模型，設(shè)計基于輕微利他因子的無私合作博弈算法，克服能效與傳輸時延的沖突問題。

關(guān)鍵詞：心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)；無私合作博弈；能效；時延

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）12-0035-02

Communication Optimization of ECG Monitoring Network

QIAN Lan-mei

（College of Computer and Information Engineering， NanTong Institute of Technology， Nantong 226002，China）

Abstract： The node energy consumption model and transmission delay model of ECG monitoring network are established. The selfless cooperative game algorithm based on slight altruistic factor is designed to overcome the conflict between energy efficiency and time delay.

Key words： ECG monitoring network； Selfless cooperation game； Energy efficiency； Delay

1心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)

基于體域網(wǎng)的心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)由可佩戴監(jiān)測系統(tǒng)或傳感器服裝設(shè)備實現(xiàn)。整個網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和遠程監(jiān)護中心構(gòu)成[1]。終端節(jié)點與心電采集電路捆綁在一起佩戴在人體身上，負責采集并傳輸心電信號。協(xié)調(diào)器充當匯聚節(jié)點的作用，進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而實現(xiàn)醫(yī)生對病人的遠程監(jiān)護。為進行生理檢測，醫(yī)療保健中常使用的環(huán)境傳感器通常為不同類型的IEEE802.15.4健康傳感器[2]。

2能效模型與時延模型

2.1能效模型

無線傳感網(wǎng)絡(luò)直接受包大小的影響。傳送數(shù)據(jù)時，越長的數(shù)據(jù)包越容易發(fā)送失敗，錯誤率越高[3]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中可變長度的數(shù)據(jù)包由于其復(fù)雜性而不適宜使用。因而在能效模型中我們使用定長數(shù)據(jù)包。能效模型定義如下：

[η=Ec?lEc?l+h+Es1-PER] （1）

其中，Ec為通信能耗，Es為起始能耗，[l]為包負載長度，h為包頭長度。PER為誤包率，定義如下：

[PER=1-1-BER（Length of packet in bits）] （2）

2.2時延模型

數(shù)據(jù)包的傳輸時延為從傳感器節(jié)點到協(xié)調(diào)節(jié)點傳送一個數(shù)據(jù)包所需時間[4]。包括包的傳送時間、退避時間、收發(fā)機的周轉(zhuǎn)時間和響應(yīng)傳輸時間（TACK），平均傳輸時延為：

[T1=Tpacket+Tbo+TTA+TIFS+TACK] （3）

其中數(shù)據(jù)包的傳送時間為：

[Tpacket=LPHY+LMHR+payload+LMFRRdata] （4）

其中為LPHY為物理頭部的比特數(shù)，LMHR為MAC頭部的比特數(shù)，payload為數(shù)據(jù)包的大小，即幀尾比特數(shù)。為測量退避周期，必須先計算設(shè)備成功訪問信道的概率Ps，計算公式為：

[Ps=a=1a=bPc1-Pca-1] （5）

其中，Pc為退避周期一結(jié)束設(shè)備訪問空閑信道的概率，其計算公式為：

[Pc=1-qn-1] （6）

退避總時間Tbo為：

[Tbo=FractionalPart[R]TbopIntegerPart[R]+1+a=1a=IntegerPart[R]Tbopa] （7）

3算法設(shè)計

無私利他合作博弈（Unselfish cooperative game，UCG）以集體利益為主，充分考慮到利他因素，往往忽略對自身收益的提高。基于此，設(shè)計輕微利他式的改進無私合作博弈。

以節(jié)點能效和時延作為博弈的雙方，結(jié)合輕微利他平衡算子，不僅考慮自身博弈方的受益，同時也輕微地考慮了他方收益，可用ε（0<ε<1）輕微利他系數(shù)表示，則收益函數(shù)為：

[u1=minu1+ε?ω12u12u2=minu2+ε?ω21u21] （8）

結(jié)合輕微利他因子，改進的無私合作博弈算法流程見圖2。

4仿真分析

模擬一個包含5個終端節(jié)點的心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)，為減小網(wǎng)絡(luò)能耗和傳輸時延，節(jié)點以星型拓補結(jié)構(gòu)連接。為了驗證改進的無私合作博弈算法在求解心電監(jiān)護通信優(yōu)化問題的性能和計算效率，分別從能效和傳輸時延兩個方面進行研究。并將其與多目標進化算法NSGA-II做比較。

4.1仿真結(jié)果與分析

圖3為采用UCG算法時延和能效隨載荷量的變化。由圖可知，時延最小值為0.04508ms，最大值為0.04647ms；能效最小值為0，最大值為0.842。

（a）時延隨載荷量的變化

（b） 能效隨載荷量的變化

圖4為采用NSGA-II時延和能效隨載荷量的變化。由圖可知，時延最小值為0.0454ms，最大值為0.04655ms；能效最小值為0，最大值為0.713。

（a）時延隨載荷量的變化

（b） 能效隨載荷量的變化

5 小結(jié)

主要研究基于IEEE802.15.4協(xié)議的心電監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)：建立節(jié)點能耗模型和傳輸時延模型；設(shè)計基于輕微利他因子的無私合作博弈算法，克服能耗與時延的沖突問題；仿真結(jié)果表明，與NSGA-II相比較，無私合作博弈能克服目標偏好，收斂結(jié)果更好，有效實現(xiàn)兩者之間的均衡。

參考文獻：

[1] 劉毅， 宋余慶， 劉哲，等. 一種面向體域網(wǎng)的ECG信號小波閾值去噪法[J].計算機科學， 2014， 41（11）：175-177.

[2] 梁正友，姚玉梅.IEEE 802.15.6中能量有效的無線體域網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].通信學報， 2016，37（6）：1-10.

[3] 張繼，張大方，謝鯤，等.一種基于演化博弈的分簇協(xié)作路由算法[J].電子學報，2016，44（9）：2158-2163.

[4] Hyun W S， You I， Jang J S， et al. A Wireless Body Sensor Network and Its Applications： Rehearsal with a Smartphone[C]// International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing. 2016：415-418.

【通聯(lián)編輯：唐一東】