物联网医疗应用的节能网络设计

# 物联网医疗应用的节能网络设计 ## 1. 硬件和软件对提高能源效率的作用 在低功耗网络中，为提高能源效率，众多技术和优化手段不断涌现。通过考虑特定应用的设备级功率限制，能够实现能源的高效平衡。依据应用环境设计高效且低成本的设备，可提升系统的能源效率。 物联网设备通常由以下部分构成： - 传感器（传感单元） - 微控制器或微处理器（处理单元） - 天线以及收发电路（通信单元） - 电源，既可以是市电供电，也可以是电池供电（电源单元） 设备各部分的配置需兼顾实施成本以及设备性能（如设备寿命、可靠性等）。若成本和性能下降，将会影响终端用户。终端用户期望设备具备良好性能和较长使用寿命。通过持续监测电流泄漏以及设计高效处理器，能够延长设备寿命。电流泄漏会严重影响设备的功率效率，同样，处理器速度也会消耗大量设备能源，因此需要加以调节。 与硬件设计类似，软件设计也会对设备的功率使用产生影响。高效的软件设计能够调节硬件组件的功率使用，当数据传输和接收处于空闲状态时，软件和操作系统应使硬件组件进入睡眠状态。所以，高效的软硬件设计能够延长设备的使用寿命。 ## 2. 协议对提高能源效率的作用 高效的协议在延长整个网络的使用寿命方面发挥着关键作用。众多研究表明，系统中 70 - 80% 的能源由通信单元（传输单元和接收单元）消耗，与传感单元相比，处理单元也会消耗大量能源。因此，调节通信单元能够显著提升网络的性能和使用寿命。设计高效的协议是调节系统通信单元的可行方案，协议设计会因层而异（从物理层到应用层）。 以下是不同层的能源效率提升技术： | 层 | 技术 | | --- | --- | | 物理层 | 节点放置技术 | | 网络层 | 路由技术 | | 数据链路层 | MAC 优化技术 | | 传输层 | 优化网络可靠性技术 | | 应用层 | OS/中间件技术 | ## 3. 物理层提高能源效率的技术 ### 3.1 节点放置技术 节点放置技术被视为提高低功耗网络能源效率的有效物理层技术。该技术能够高度调节不均衡的数据流量，平衡不均衡的数据流量可减轻节点负担，避免节点快速死亡，从而延长网络寿命。设计高效的节点放置技术能够降低实施成本，延长网络寿命，并提升设备连接性。 在节点放置技术中，研究人员的主要目标是延长网络寿命和实现良好的连接性。该技术会根据节点位置分配一定的传输范围，从而高度平衡能源消耗。主要的节点放置技术采用基于图的优化技术来提升网络性能，用于优化节点放置技术的算法包括： - 粒子群优化（PSO）算法 - 优化人工鱼群算法（OAFSA） - 多目标优化算法 - 生物启发算法 - 遗传算法（GA） - 领土捕食者气味标记算法（TPSMA） - 虚拟力导向协同进化 PSO（VFCPSO） - 人工蜂群算法（ABC）等 通过有效的节点放置技术，可以显著降低节点密度，从而大幅降低系统的实施成本。 ### 3.2 节点密度与网络寿命 许多研究证实，高效的节点放置技术能够通过降低节点密度来降低网络成本，并通过平衡能源消耗来延长网络寿命。设备连接性是节点放置技术的关键环节，若节点之间的连接性良好且密度合适，节点之间就能建立通信。 在网络中改变节点密度也能提高系统的能源效率。大多数网络应用场景是多对一（传感器到基站），在这种场景下，节点会将收集到的信息转发给靠近基站的相邻节点。这会导致靠近基站的节点因大量数据流量而过载，很快耗尽电量。若采用非均匀的节点部署方式，如在基站附近部署较多节点，在稍远位置部署适量节点，在较远位置部署较少节点，就能有效调节数据流量，提高能源效率。众多文献表明，改变网络场景中的节点密度能够显著延长网络寿命。 ### 3.3 中继节点放置 在节点放置技术方面，很多研究聚焦于中继节点放置。中继节点是负责从传感器收集数据的特殊节点。在中继节点放置技术中，节点可分为两类：中继节点和传感器节点。传感器节点负责传感、计算（处理）和通信（传输和接收），中继节点负责计算和通信。传感器负责收集环境数据、处理所感测的数据并将数据传输到基站，中继节点从传感器和其他中继节点收集数据，进行数据聚合后将数据传输到基站，基站从中继节点收集信息并将数据发送到存储单元。 通过区分这两种类型的节点，可以降低设备复杂度，使传感器无需进行转发操作，中继节点无需进行传感操作。在智能健康应用中，传感器节点可视为生物传感器，数据采集板可视为中继节点。采用合适的中继节点放置技术和非均匀节点密度，能够显著提升网络性能和寿命，可应用于医疗保健领域。因此，在医疗保健应用中实施有效的节点放置能够提高物联网医疗网络的能源效率和网络寿命。 ```mermaid graph LR classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px; classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; A([传感器]):::startend -->|收集数据| B(传感器节点):::process B -->|处理数据| C(传感器节点):::process C -->|传输数据| D(中继节点):::process E(其他中继节点):::process -->|传输数据| D D -->|数据聚合| D(中继节点):::process D -->|传输数据| F(基站):::process F -->|发送数据| G([存储单元]):::startend ``` ## 4. 网络层提高能源效率的技术 ### 4.1 路由技术概述 路由是提高低功耗网络能源效率的知名网络层技术。高效的路由能够满足网络寿命、可靠性和服务质量（QoS）的要求。路由技术可以解决许多非均匀能源利用问题，如不均衡的数据流量、多次重传、高延迟等。 在市电网络（如互