摘要
当前世界人口老龄化情况的加剧、各类慢性疾病患病率和致死率的持续上升，使得如何为人民提供高质量、负担得起的、可持续的健康保健服务成为当前社会面临的最大挑战。因此，在新一代无线通信技术蓬勃发展、医疗科技不断进步和人民健康需求日益增长等多重因素推动下，以人体为核心、以数据为驱动、以通信为媒介、以需求为导向的无线体域网(WBAN，Wireless Body Area Network)受到了国内外学术界和工业界的广泛关注。无线体域网是由数个放置在人体不同部位(例如体上、体表或体内)且功能不同的传感器节点以及便携式移动设备组成的短距离无线网络，它可以实时、无线和远程监测人体健康状况，也可以提供各种无线应用，是实现生命体征的实时监测与预警、建立全民健康信息化个人智慧医疗体系的重要手段。 不同于传统的无线传感器网络，无线体域网不仅每个传感器节点的能量供给、计算能力、存储容量以及通信距离是有限的，该网络还是一个随人体运动的高动态变化网络，其网络拓扑结构或人体运动姿态变化会不可避免地对信道状态信息产生不确定的影响。传统的无线体域网更多关注的是信息传输的时延和吞吐量，并不能从信息价值的角度刻画系统的通信性能，也不能满足网络实时状态更新的需求。因此，建立一个高能效、高可靠、高实时性的无线体域网能量收集和信息传输机制，具有重要的研究意义和应用价值。然而，目前尚未见到满足多场景需求的能量收集和信息传输技术的描述，缺乏有效的信道状态信息不确定性量化方法和信息传输实时性衡量指标。 针对无线体域网能量收集环境受限、信道估计误差不确定和信息新鲜度难以衡量的问题，本文从网络架构-信道可信度-通信性能三个维度出发，围绕基于能量收集的无线体域网信息不确定性与新鲜度展开深入研究，构建不同场景下的无线体域网能量收集和信息传输模型，提出信道状态信息不确定情况下的分布式鲁棒优化算法，验证信息新鲜度在无线体域网中作为通信性能评价指标的可行性。 主要内容和贡献如下： (1)针对传统无线体域网的传感器节点受体积和应用环境影响而引发的能量受限问题，开展无线体域网不同场景能量收集和信息传输研究，构建多场景高效混合结构能量收集和信息传输模型。本文从以下三个方面开展研究：1)在无线体域网能量收集和信息传输控制策略研究方面，提出基于时间比例控制的传输功率优化算法。2)在正常情况下无线体域网能量收集和信息传输技术的研究中，提出基于功率分配结构的传输功率优化算法。3)在异常情况下无线体域网能量收集和信息传输技术的研究中，提出基于时间分配结构的传输功率优化算法。仿真结果表明，在能量收集和信息传输不同应用场景中，该传输模型能够实现传感器节点传输功率的自适应分配，有效地优化了系统信息吞吐量，提升了系统通信性能，为无线体域网能量收集和信息传输的研究提供新思路。 (2)针对无线体域网信道状态信息不确定的问题，开展基于能量收集的不确定信息研究，建立适用不同场景的分布式鲁棒信息传输机制。针对无线体域网信道状态信息不确定的问题，本文提出反射通信辅助计算任务卸载的物理模型来提升网络的通信能力和计算能力，建立基于数据传输速率机会约束和能量收集机会约束的分布式鲁棒优化模型。假设静态场景信道估计误差服从高斯分布，异常动态场景信道估计误差服从任意分布。针对不同信道特征分布，分别采用Bernstein不等式(BTI， Bernstein-Type-Inequality)方法和条件风险值(CVaR，Conditional Value-at-Risk)方法来将不确定集中的机会约束转化为半正定规划形式。提出一种低复杂度分布式鲁棒优化迭代算法求解非凸优化问题局部最优解。仿真结果比较分布式鲁棒优化算法和非鲁棒优化算法在时延方面的表现。在体表信道中，分布式鲁棒优化算法的时延相比于非鲁棒优化算法提升了40.5%。在体内信道中，所提算法的时延相比于非鲁棒优化算法提升了42.6%。基于CVaR的分布式鲁棒优化算法能够有效量化信道估计误差，基于BTI的分布式鲁棒优化算法更适合于特定的信道误差分布。 (3)针对无线体域网高可靠低时延通信需求，开展基于能量收集的信息新鲜度研究，提出基于信息新鲜度衡量理论的信息传输新算法。本文为满足无线体域网信息实时更新的需求，构建以信息新鲜度为通信指标的信息传输实时性衡量理论体系，揭示信息实时传输过程中信息年龄(AoI，Age of Information)的变化规律。针对信道状态信息不确定的问题，建立基于平均信息年龄的分布式鲁棒优化模型，最小化能量收集机会约束和信息传输机会约束影响下的平均信息年龄上界，基于条件风险值方法将分布式鲁棒机会约束转化为半正定规划形式，提出一种基于信息新鲜度衡量理论的平均信息年龄上界最小化算法来求解转化后的优化问题。仿真结果验证了信息年龄衡量无线体域网信息新鲜度的可行性，揭示信息年龄与能耗之间的一种平衡关系。所提算法的平均信息年龄相比于非鲁棒优化算法提升了22.7%，证明该算法能够在相对较差的信道条件下保证医疗信息的新鲜度。
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