[论文解读] Coexistence and Interference Mitigation for Wireless Body Area Networks: Improvements using On-Body Opportunistic Relaying

Jie Dong, David B. Smith|arXiv (Cornell University)|May 30, 2013

Wireless Body Area NetworksEngineering参考文献 12被引用 17

一句话总结

本文提出了一种体表机会中继技术，以增强密集无线体域网络（WBANs）中的共存性并减轻干扰。通过采用TDMA和三分支机会中继（固定中继位于髋部），该方案在中断概率方面实现了高达8 dB的改善，并显著降低了速率交叉率（LCR），尤其是在低SINR阈值下；然而，与单跳系统相比，平均中断持续时间（AOD）保持不变。

ABSTRACT

Coexistence, and hence interference mitigation, across multiple wireless body area networks (WBANs) is an important problem as WBANs become more pervasive. Here, two-hop relay-assisted cooperative communications using opportunistic relaying (OR) is proposed for enhancement of coexistence for WBANs. Suitable time division multiple access (TDMA) schemes are employed for both intra-WBAN and inter-WBANs access protocols. To emulate actual conditions of WBAN use, extensive on-body and inter-body "everyday" channel measurements are employed. In addition, a realistic inter-WBAN channel model is simulated to investigate the effect of body shadowing and hub location on WBAN performance in enabling coexistence. When compared with single-link communications, it is found that opportunistic relaying can provide significant improvement, in terms of signal-to-interference+noise ratio (SINR), to outage probability and level crossing rate (LCR) into outages. However, average outage duration (AOD) is not affected. In addition a lognormal distribution shows a better fit to received SINR when the channel coherence time is small, and a Nakagami-m distribution is a more common fit when the channel is more stable. According to the estimated SINR distributions, theoretical outage probability, LCR and AOD are shown to match the empirical results well.

研究动机与目标

• 解决多个网络在近距离共存时密集WBAN部署中面临的共存与干扰抑制挑战。
• 研究在真实体表及体间信道条件下，采用机会中继的两跳协作通信在性能上的增益。
• 评估固定中继位置（左、右髋部）与动态中继选择在提升基于SINR的可靠性指标方面的有效性。
• 基于实测SINR分布，推导理论中断概率、速率交叉率（LCR）和平均中断持续时间（AOD）。
• 识别在不同信道相干时间下，最能拟合SINR的统计分布（对数正态或Nakagami-m），以支持精确的性能建模。

提出的方法

• 利用真实受试者进行广泛的体表与体间信道测量，以建模WBAN内链路与WBAN间链路的路径损耗。
• 在WBAN内与WBAN间接入中均采用时分多址（TDMA），确保传输调度的协调性。
• 应用三分支机会中继（OR），每跳选择三个候选中继中性能最优的一个进行数据包转发，从而最小化复杂度与功耗。
• 通过实测的体间路径损耗、阴影衰落与小尺度 fading 建模WBAN间干扰，特别关注体部遮蔽效应。
• 采用最大似然（ML）估计法，确定接收SINR的最佳拟合统计分布：信道相干时间短时（快衰落）采用对数正态分布，相干时间长时（慢衰落）采用Nakagami-m分布。
• 基于估计的SINR分布，推导出一阶与二阶统计量（中断概率、LCR、AOD），并将其与实测数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 机会中继在共存WBAN中，对基于SINR的可靠性指标（如中断概率与速率交叉率）的改善程度如何？
• RQ2 与单跳传输相比，固定中继位置（如左、右髋部）的布置在干扰抑制与共存性能方面有何影响？
• RQ3 在不同信道相干时间下，哪种统计分布最能描述WBAN中的SINR——对数正态分布还是Nakagami-m分布？
• RQ4 协作中继是否能降低平均中断持续时间（AOD），这一关键指标对实时WBAN应用至关重要？
• RQ5 体部遮蔽如何影响WBAN间干扰，以及在实际场景中对协作中继有效性的影响如何？

主要发现

• 与单跳传输相比，机会中继在1%中断概率阈值下，将中断概率降低了高达8 dB，且该增益在不同汇聚点位置下保持一致。
• 对于受试者1（信道稳定性较低），该方案在1 Hz LCR下使SINR阈值提升4 dB，在0.1 Hz LCR下提升7.5 dB，表明在低SINR水平下具有显著的干扰抑制能力。
• 对于受试者2（信道稳定性较高），在1 Hz和0.1 Hz LCR下分别获得2.5 dB和3 dB的增益，表明该方案在不同信道条件下均具有鲁棒性。
• 当信道相干时间较短（快衰落）时，对数正态分布对SINR的拟合效果最佳；当信道高度稳定（相干时间较长）时，Nakagami-m分布拟合更优。
• 基于估计SINR分布推导出的理论中断概率、LCR与AOD与实测结果高度吻合，验证了分析模型的有效性。
• 尽管其他统计量有所改善，但单跳与协作方案之间的平均中断持续时间（AOD）保持不变，表明该指标未获得性能增益。