UMTS信道下的医疗WBAN端到端连接QoS控制编解码设计与实现

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 4（2018）181www.elsevier.com/locate/icte用于通过UMTS信道的WBAN端到端连接的具有医疗QoS约束的差错控制编码和解码Emtithal Ahmeda，Ya，Ryuji Kohnoba未来大学，工程学院，P.O. 盒子10553，苏丹b日本横滨国立大学工学院1接收日期：2017年1月15日;接收日期：2017年12月7日;接受日期：2018年1月31日在线提供2018年摘要本文提出了一种可靠的信道，用于医疗用途，通过一个物理层，以服务于医疗数据传输从WBAN通过UMTS。本研究的重点是应用编码理论的高可靠性和鲁棒性，以满足医疗数据的各种QoS要求其目的是建立通过UMTS传输WBAN医疗数据的医疗网络通道。额外信道编码的设计被认为是一种级联技术。该方法应用具有内部UMTS码的自适应外码。在AWGN和Rayleigh衰落信道下，研究了QoS的实现，数值结果证明了这一点。c2018 韩 国 通 信 与 信 息 科 学 研 究 所 （ KICS ） 。 Elsevier B. V. 的 出 版 服 务 。 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：UMTS; WBAN; QoS约束;级联码;信道条件1. 介绍最近，WBAN技术已经在IEEE 802.15.6的最新标准中得到验证[1]。IEEE 802.15.6标准旨在为人体周围区域内的短距离、低功率和极其可靠的无线通信提供国际标准，以支 持 各 种 应 用 的 从 75.9 kb/s 窄 带 到 15.6 Mb/s 超 宽 带（UWB）的大范围数据速率[1]。迄今为止，在所有WBAN方面已经进行了许多努力[2]。WBAN医疗应用的QoS是一个主要的关注点。因此，WBAN中的QoS问题应该得到有效处理，包括实时数据传输系统、数据速率、端到端数据传输、数据传输准确率、延迟、延迟时间、低功率数据传输、数据可用性、最小数据丢失、数据安全性、网络覆盖、频率、带宽、吞吐量和可靠性[3]。*通讯作者。电子邮件地址：emtithal-talha-xb@ynu.jp（E. Ahmed）。1http：//www. 科奥诺拉湾dnj。你好。梭jp/index-e。HTML.同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2018.01.016本文介绍了WBAN与现有网络（如UMTS网络）连接的方法。WBAN和UMTS的组合是必要的，因为它可以经济地增加可靠的医疗网络基础设施的需求因此，本论文的重点是建立一个超级物理层通道作为MNC，以服务于医疗数据传输。MNC系统需要解决医疗数据传输的可靠性问题研究了MNC技术在以前的研究中，但从未关注过QoS的可靠性要求[4]。因此，本文考虑端到端的WBAN医疗数据传输的可靠性问题，通过引入MNC提出的系统的基础上的错误控制技术。基于不同医疗数据的BER和其他IEEE802.15.6约束，QoS级别具有不同的可靠性要求[5]。差错控制编码是修正可靠性问题的关键。级联码是一种差错控制编码技术，由于其简单有效而被广泛采用[6]。因此本文提出2405-9595/c2018韩国通信和信息科学研究所（KICS）。出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。182E. Ahmed和R.Kohno/ICT Express 4（2018）181∼=-表1WBAN标准的QoS等级映射。跨国公司优先级用户优先级交通标志第一最低优先级别[非医疗]0背景（BK）1最大努力（BE）2卓越的努力（EE）第二中等优先级别[医疗]3视频（六）4语音（VO）5医疗数据/网络控制第三高优先级别[医疗]6高优先级医疗数据/网络控制7紧急/医疗植入一种新的方法，通过增加一个额外的信道码来组合WBAN和UMTS，并根据医疗数据QoS级别所需的可靠性来优化该额外信道的技术参数，从而进行可变差错控制编码和解码。MNC的结构设计基于串行级联编码技术。MNC中的内部信道码是蜂窝网络标准UMTS纠错码，其不能根据国际标准改变以增强MNC系统性能。同时，在MNC中的额外的外部信道自适应外码使用卷积码作为主要的纠错技术。随后，使用WBAN标准纠错技术将WBAN端到端连接添加到MNC系统。虽然存在七个QoS级别，为简单起见，本文认为三套QoS级别。该方法可以很容易地扩展到更多的级别。在MNC中，为了实现一定的QoS，需要具有有限或强纠错能力的高/中/低编码速率和冗余的外部码。这使得该技术适应于变化的传播条件并且适应于各种QoS约束。本文的工作旨在克服在传输期间可能不可预测地发生的不同PHY信道错误，诸如高斯AWGN和瑞利衰落。我们需要实现具有三种不同假设QoS水平的医疗数据传输，其中BER范围为10−3 10−7。我们的主要目标是实现医疗QoS约束的MNC提出的系统。因此，我们分析了WBAN医疗数据QoS，如表1[1]所示我们根据优先级将WBAN医疗数据QoS分为三组建议的MNC系统的设计第一组是最高优先级，如生物信号，MNC必须达到约10- 7 BER。第二组是中等优先级，如医疗数据，MNC必须达到约10- 5 BER。第三组是最低优先级，如数据管理、音频和视频，MNC必须达到约10−3 BER。与常规UMTS系统相比，在更高的Eb/No本文的其余部分组织如下。在第2节中，将UMTS和WBAN的PHY信道码的技术设计作为常规系统来解决。第三节支柱设置的效力在医疗信道中，通过UMTS的现有基础设施的WBAN的所提出的MNC系统模型性能优化结果在第4节中示出，用于系统分析。最后，在第5节中提出了结论。2. 常规系统结构2.1. UMTS信道UMTS是具有宽码分多址（WCDMA）空中接口的第三代（3G）的主要标准。WCDMA的带宽是5 MHz，并且足以提供144 kb/s和384 kb/s的数据速率，并且在良好条件下甚至是2 Mb/s所有UL信道的数据调制是二进制相移键控（BPSK），并且对于DL信道的数据调制是正交相移键控（QPSK）[7]。WCDMA中的通用陆地无线电接入网络（ UTRAN ） 采 用 两 种 FEC 方 案 ， 卷 积 码 和 turbo 码 。UMTS标准在UL和DL业务信道中针对较低数据速率使用卷积码示例包括专用信道UL/DL（DCH）、无线电接入信道UL（RACH）、公共分组信道UL（CPCH）、广播信道DL（BCH）、寻呼信道DL（PCH）、前向接入信道DL（FACH）和下行链路共享信道DL（DSCH）。所使用的技术参数取决于通道类型。这项工作考虑使用较低的数据速率作为UL和DL信道的医疗数据，其使用卷积编码作为主要的纠错技术。生成多项式(G) 与图 1用于UMTS编码器，所提供的代码，例如编码率为1/2的卷积码和编码率为1/3的卷积码 图 1显示了编码结构[7]。所有卷积码的解码结构由使用软判决维特比算法（SDVA）的卷积解码器操作[6]。2.2. WBAN技术中的差错控制编码BCH码具有取决于码的自由距离的错误的校正界限[6]。BCH码（63，51，t2）和（126，63，t在IEEE802.15.6标准[1]中，错误检测和纠正能力至关重要。WBAN纠错能力的调查已经在以前的工作中进行[4]。E. Ahmed和R.Kohno/ICT Express 4（2018）181183∼∼(a) 速率1/2卷积编码器。(b) 速率1/3卷积编码器。Fig. 1. 用于UL/DL的UMTS卷积码结构。最后，针对所提出的MNC，条件可能会随着人体的移动或UMTS设备的移动而不时地改变。然而，在一些有噪声的PHY信道条件下，例如瑞利衰落，这些标准技术不能很好地执行以对应于我们已经提到的医疗数据的更高QoS因此，我们提出的系统MNC增加了一个额外的信道代码作为一个超级物理信道通过UMTS支持不同的QoS的医疗数据在不同的假设噪声信道条件下。3. 建议的MNC系统结构在图2中描述了这里的提议的设计。通过使用级联码。建议MNC系统输出不同的医疗数据传输的QoS水平。MNC提供的假设BER范围为10−3 10−5 10−7 BER，适用于不同假设噪声条件下的较高比特能量干扰比（Eb/No）值所提出的MNC系统的UL/DL信道结构和方法在图2中示出。这里，我们使用UMTS/UL信道作为CPCH;类似地，我们使用UMTS/DL信道作为FACH，其分别使用1/2和1/3的卷积码速率。技术参数见图1。 二、输入到建议的MNC系统的帧长度为10 Mbit/s，块大小为51 bit/块，由WBAN的BCH码编码，用于提供63 bit/块的块大小;随后，数据被输入到额外信道码中，该额外信道码具有卷积码的不同码率，其约束长度为8，由多项式（G）以八进制方式定义，如表2所示。根据额外外码的码率，编码比特具有不同的比特/块。随后，数据被输入内部编码器，即UMTS编码器，以产生双重编码的数据序列。在解码端，内部解码器是图二. 建议的MNC系统结构。图三. 所有MNC结果通过UMTS的UL在AWGN/RF下。4. MNC系统性能分析关于所提出的MNC系统中的解码部分，可以分别根据内部、外部和额外的外部解码器来计算错误界限概率。最后，从译码误码率的角度分析了该码的性能。BER通常被计算为Eb/No的函数。这里，Eb表示每个信息比特的平均接收能量，No表示假定的AWGN信道的单侧功率谱密度。MNC已在不同的估计噪声信道下进行了测试首先，在AWGN下从理论上驱动性能界限;这一步证明了该建议的可行性，并针对不同的QoS优化了额外的信道编码 图图3和图4示出了所有MNC理论BER结果。第一内部UMTS解码器的概率比特错误Pbi的上界被描述为等式（1）。（一）.∞UMTS，其解码来自PHY信道的损坏的数据。Pbi≤1∑wdiPei（ di）（1）随后，我们建议使用SDVA功能的额外外部解码器再次解码数据。最后，BCH阻止WBAN解码器产生最终解码数据。b1=0其中，Pei（di）是混淆内部UMTS码的距离di位置不同的两个序列的概率，并且可以如等式（1）中那样计算（二）、Wdi是权重谱，184E. Ahmed和R.Kohno/ICT Express 4（2018）181nX我∑X（二）（三）∑∑（）（）2do RoEb/N0bC2d f−1随后，通过应用Eq.（12）在Eq.（10）我们将X表2设计与QoS相关的MNC信道编码。QoS数据集代码R K生成器多项式d自由和Wd II大小UMTS-UL内部12 9 561 753 12 122 694UMTS-DL 1/3 9 557 663 711 18275最低1/2 8247 3711010 970126介质外1/3 8225 331 36716425189最高1/4 8235 275 313 35722169252随后，本文所使用的MNC的外码性能（8）对于医疗数据的较低、中等和较高QoS类别，取决于应用于额外信道的参数。下面通过计算所提出的系统的最终代码性能来介绍最后的步骤对于WBAN解码器（63，51，2），最后的概率比特误差P界限由等式（1）计算：（9）Pb≤i=∑t+1（n）我Pi（1−Px）n−iw这里（n）=你好！（n −i）！ ·i！ （九）Pb≤63（63）我Pi（1 −Px）63−i（10）见图4。在AWGN/RF下通过UMTS的DL得到所有MNC结果。在表2中计算与权重d1和d2的序列相关联的比特错误的平均数。（）i=2+ 1Px=Q2R·Eb/ N0=Q2· 51/ 63·Eb/ N0（11）通过使用等式（11）作为方程的函数。（8）为了计算最终界，我们可以得到以下结果：Px（ U L）=Pb（ U L）·PxPx（ DL）=Pb（ DL）·Px （12）其中di是内部UMTS无码距离，Ri是内部UMTS码率，两者都在表2中示出。Q函数可以使用等式中的无穷积分来计算（三）得到方程（13）在最终的MNC系统中，WBAN码端到端对于经由AWGN假设的所有QoS，并且所提出的系统码性能界限结果在图中示出。∼∫∞1−t2=63（63）Q（ x）X1∑2πe2dt（3）（）PUL≤我i=2+ 1（ Pi U L（1−Px）63−i（13））Pbi≤biwdi·Q2di Ri Eb/ N0（四）6363P≤Pi DL（1 −P）63−i（14）di=0Pbi（ U L）≤122694Q12·Eb/ N0（5）Pbi（ DL）≤22754Q12·Eb/ N0（6）随后，这里使用的内部UMTS码性能可以通过等式（1）计算：（5）通常，来自UMTS内部码的数据流被馈送到额外码。外码的性能是内部UMTS码的函数。接下来，外部解码器计算如等式1中单独界定的第二外概率比特误差Pbo。（7）DLixxi=2+ 1同时，所提出的MNC系统通过瑞利衰落信道的误差界的理论计算可以通过与通过AWGN信道计算它相同的步骤来执行，而无需端到端连接WBAN。因此，Pj， I衰减是概率密度的随机独立瑞利变量在我们提出的系统的所有理论研究首先，蜂窝解码器计算第一内部概率比特误差Pbi界限，如等式（1）所示。（十五）、1∑（）w（d f）Df（七）（1）df4R·Eb/ Nobodo=0Pb（ U L）≤Pbi（ U L）·Pbo&Pb（ DL）≤Pbi（ DL）·Pbo（8）其中，C可以使用图1的自由距离dfreei来计算。内部UMTS码由Eq.（十六）、Eb代表平均能量∞Pei（di）=Q∞2di Ri Eb/N0（二）Pbo≤wdo·QPb≤（十五）E. Ahmed和R.Kohno/ICT Express 4（2018）181185每个符号的发送信息接收。办妥了一批虽然UMTS网络被用于设计Cd f2d f−1（2 d−1）！（d−1）！·d！（十六）未来提出的MNC系统，本文有助于在服务的医疗数据传输的高水平的可靠性通常，来自UMTS内部码的数据流馈送额外的信道码。额外的外码的码性能是内部蜂窝码的函数。接下来，外部解码器计算如等式2中单独界定的第二外部概率比特误差Pbo。（15）[15]由外码参数获得不同的QoS等级。随后，这里使用的MNC系统在瑞利衰落下的额外外码性能可以如等式（1）所示计算。（十二）、图中示出了通过瑞利衰落的最终BER结果。5. 结论这项工作的优点是，WBAN可以通过蜂窝网络的UMTS端到端连接在MNC系统的额外信道码优化设计阶段，约束长度是固定的，以避免复杂性。关于WBAN要求的不同QoS的实现，上面的结果图澄清了MNC系统的结果。这些数字来源于理论推导。最后，本文的研究目标是通过引入MNC系统来满足医疗数据的这种QoS所需多用户环境是未来工作的遗留问题。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] IEEE局域网和城域网标准-第15.6部分：无线体域网。IEEE标准802156-2012，2012年，pp. 1-271[2] L. Wang，N.安，A.H. Sodhro，D. Qiao，Y. Zhou，Y.，中国科学院学报，2003;刘，体域网中的功率感知无线通信系统设计，电子健康通讯。系统网络2（2）（2013）23-28。[3] Sh. Murtaza，面向无线体域网解决方案的QoS分类，Int. J. Appl. Innov.工程管理IJAIEM 2（4）（2013）.[4] E. 艾哈迈德-塔尔哈河Kohno，基于2G和3G蜂窝移动标准的独立医疗网络，具有级联码结构中的外部信道码，Int.J.Commun。Comput.（ISSN：2010-3743）（2014）。[5] J. 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