基于IEEE 802.15.6的无线体域网性能仿真评估系统

资 源 简 介

本项目是一个专门用于模拟和分析无线体域网通信性能的MATLAB仿真平台。其核心功能涵盖了从物理层到网络层的全过程建模：首先，在节点部署方面，系统支持在人体各解剖学位置放置生理传感器节点（如心电、脑电、血糖及运动传感器），模拟由于人体姿态变化（如站立、行走、跑步）产生的动态拓扑。其次，物理层仿真严格遵循IEEE 802.15.6标准，集成了人体表面及体内的路径损耗模型，并引入了对数正态阴影衰落以及由人体遮挡产生的信号起伏特性。在媒体访问控制（MAC）层，项目实现了包含CSMA/CA、TDMA以及专属的时隙分

详 情 说 明

无线体域网(WBAN)仿真与多协议性能评估系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的综合性无线体域网（WBAN）仿真平台，旨在定量评估和比较不同网络配置下节点在人体表面及近距离范围内的通信表现。系统深度模拟了WBAN在医疗监护和可穿戴技术领域的应用场景，通过整合生理节点部署、动态人体运动模型、IEEE 802.15.6物理层路径损耗、多种MAC层协议以及精细化的能耗模型，为研究人员提供了一个多维度的性能分析工具。

核心功能特性

• 解剖学节点部署与动态调控：系统预设了包括腰部中心节点、头部脑电、胸部心电、腹部血糖以及四肢运动传感器在内的标准解剖位点。通过引入正弦波动函数，系统能够实时模拟人体行走时手腕和踝部节点的位移，动态更新节点间的空间距离。
• 协议性能对比研究：内置两种典型的媒体访问控制（MAC）逻辑，即竞争机制（CSMA/CA）与非竞争机制（TDMA）。系统支持在不同交通负载强度下，对比两种协议在处理数据冲突、延迟控制和带宽利用方面的优劣。
• 精准物理层建模：遵循IEEE 802.15.6标准，实现了包含参考距离损耗、对数正态阴影衰减在内的人体表面信道模型。同时集成了基于DPSK/DQPSK调制方式的误码率（BER）计算模型，模拟信号在复杂体表环境下的可靠性。
• 生命周期与能耗预测：实现了基于硬件电路损耗与功率放大器支出的双重能耗模型。系统能够记录传感器节点从初始状态到能量耗尽的全过程，评估不同节点位置对电池寿命的影响。
• 自动化指标分析与可视化：自动收集并计算吞吐量、平均端到端延迟、数据包丢失率（PLR）、剩余能量百分比以及物理层信噪比曲线，并通过多维图表形式展现仿真结果。

系统要求

• 软件运行环境：MATLAB R2021a 或更高版本。
• 必备工具箱：基本MATLAB环境即可（无需额外安装特定复杂的通信工具箱，代码采用矩阵运算和统计函数实现核心算法）。
• 硬件建议：4GB以上内存，支持图形渲染的显示器以查看六路并列评估图表。

系统运行逻辑与实现细节

1. 初始化与环境定义 系统首先定义了一个包含7个节点的典型WBAN拓扑。Node 1作为Hub（汇聚节点）固定于腰部，其余6个节点分布在头、胸、腹及四肢。系统设置了2.4GHz的工业医疗频段参数，并初始化了各节点的初始电量、发送功率、背景噪声等环境基准。

2. 交通负载驱动的回路仿真 核心仿真通过嵌套循环实现：外层循环遍历不同的网络协议（CSMA/CA与TDMA），中层循环改变交通负载（从低频率到高频率的数据包产生），内层循环执行时间步步进。这种多级循环结构确保了性能指标是在大量样本和多变环境下统计得出的。

3. 动态拓扑与路径损耗计算 在每个时间步内，系统根据步态模型更新四肢节点的3D坐标。利用欧几里得距离计算各节点与Hub的实时间距。随后应用IEEE 802.15.6标准的路径损耗公式，结合随机正态分布的阴影衰落，计算接收端信噪比（SNR）。

4. 协议逻辑模拟

• 在CSMA/CA模式下，系统基于数据产生频率计算冲突概率，模拟载波监听过程，若随机值避开冲突区域且满足信噪比判准，则视为发送成功。
• 在TDMA模式下，系统通过取模运算为每个节点分配特定的仿真时隙，各节点仅在所属时隙内尝试通信，从而规避了节点间的相互碰撞。

5. 能量追踪机制 每当一个数据包（默认1024位）尝试传输时，系统会计算发送电路功耗以及随距离平方增长的放大器功耗。同时，Hub节点也会扣除相应的接收电路能耗。若节点能量耗尽，其通信功能将自动关闭。

关键函数与算法分析

• 人体动态位姿算法：通过余弦和正弦函数叠加，模拟手臂的摆动幅度和腿部的起伏动作，使得仿真并非静止，而是能体现WBAN随人体运动带来的链路波动。
• 误码率（BER）蒙特卡洛仿真：系统内置了一个独立的子模块，通过模拟10万个比特在不同信噪比下的传输过程，利用指数衰减公式生成BER随SNR变化的基准曲线，用于指导物理层可靠性评估。
• 可靠性判定逻辑：系统引入了包错误率（PER）的概念，将误码率映射到整个数据包。只有当包内所有位数均正确或处于容错范围内（基于概率模型）时，系统才累加成功传输指标。
• 三维能量热力图算法：仿真结束时，系统将剩余能量百分比映射到节点在人体空间的位置上，通过颜色深浅直观反映哪些解剖位置的节点面临更严峻的能量枯竭挑战。

仿真评估指标说明

• 端到端延迟：衡量数据从产生到成功接收的等待时间。CSMA/CA包含随机退避时间，而TDMA包含固定的周期等待时间。
• 网络吞吐量：单位时间内成功传输的总比特数，反映系统的有效数据承载能力。
• 数据包丢失率 (PLR)：综合考量了由于信道质量差导致的误码丢失以及协议冲突导致的碰撞丢失。
• 静态拓扑链路强度：通过距离倒数平方算法，评估在人体静止状态下各点位相对于Hub的通信优势。使用极坐标图形式展示空间分布特征。