吳憲君

(廣東石油化工學(xué)院 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東 茂名 525000)

?

一種高吞吐量的WBAN多跳協(xié)議*

吳憲君

(廣東石油化工學(xué)院 實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，廣東 茂名 525000)

為提高無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network,WBAN)能量效率和實(shí)現(xiàn)高吞吐量，提出一種多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來節(jié)約能耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。通過設(shè)定代價(jià)函數(shù)選出前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，使得被選用節(jié)點(diǎn)具有較多的剩余能量和較小傳輸間距。代價(jià)函數(shù)的剩余能量參數(shù)用于平衡傳感節(jié)點(diǎn)的能量損耗，距離參數(shù)確保包交付成功率。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議得到穩(wěn)定的高吞吐量，有助于WBAN對人體病癥的連續(xù)監(jiān)測。

WBAN；代價(jià)函數(shù)；能量距離參數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)漸漸應(yīng)用到各種領(lǐng)域[1]，無線體域網(wǎng)(WBAN)是WSNs新興的子領(lǐng)域。WBAN主要應(yīng)用于人體健康的監(jiān)測。WBAN的傳感器節(jié)點(diǎn)由于受到節(jié)點(diǎn)體積設(shè)計(jì)的限制，所配置的電池能夠提供的能量是非常有限[2]。使用路由協(xié)議能有效地應(yīng)對電池充電的問題。在WSNs中提出了許多節(jié)能路由協(xié)議。由于WSNs和WBAN具有不同的體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用和使用于不同的操作條件，因此應(yīng)用于WSNs的路由協(xié)議不能用于WBAN[3]。針對WBAN對患者監(jiān)測周期長的特征需要一些能量更為高效的路由協(xié)議，文章提出了一個(gè)高吞吐量、可靠穩(wěn)定的WBAN路由協(xié)議。在身體上固定部署傳感器節(jié)點(diǎn)，并在相對穩(wěn)定姿態(tài)的腰部位置固定匯聚節(jié)點(diǎn)。在靠近匯聚節(jié)點(diǎn)附近將放置重要的傳感器，而其它一般的傳感器則通過其父節(jié)點(diǎn)或前驅(qū)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。這樣分開部署的優(yōu)勢在于，可以滿足重要傳感器(如，心率和血糖)監(jiān)測到數(shù)據(jù)的關(guān)鍵臨界點(diǎn)以及要求具有最小測量衰減誤差，因此WBAN可相應(yīng)獲得高可靠性和長壽命，并且節(jié)省節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。

1　相關(guān)研究

在WBAN已經(jīng)存在大量的路由方案。文獻(xiàn)[4]提出了一個(gè)熱度的路由協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都選擇最小跳數(shù)搜尋匯聚節(jié)點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)父節(jié)點(diǎn)被選熱度增加，子節(jié)點(diǎn)選擇另一個(gè)優(yōu)化路線。文獻(xiàn)[5]分析能耗和速率與距離的關(guān)系，提出閾值控制的方法，考慮傳輸距離大于閾值距離的長距離傳輸，通過時(shí)延約束的包調(diào)度算法優(yōu)化能耗。Braem 等人相繼提出等基于樹的路由協(xié)議，通過節(jié)點(diǎn)分配的地址信息，以分散的方式來為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建路由樹，有效避免了數(shù)據(jù)在路由傳輸中的沖突，提高了節(jié)點(diǎn)的能效[6]。

2　無線模型

許多文獻(xiàn)提出相關(guān)廣播模型。為盡量減少能量消耗和提高吞吐量，使用了文獻(xiàn)[7]提出的廣播模型。在該廣播模型中，d為發(fā)射器與接收器之間的距離；其一階廣播模型方程為：

ETx(k,d)=ETx-elec(k)+ETx-amp(k,d)=ETx-elec×k+Eamp×k×d2

(1)

ERx(k)=ERx-elec(k)ERx(k)=ERx-elec×k

(2)

式中：ETx為傳輸消耗的能量；ERx為接收器消耗的能量；ETx-elec和ERx-elec分別為發(fā)射器和接收器電路運(yùn)行所需的能量；Eamp為放大器電路所需的能量；k是數(shù)據(jù)包的大小。

在WBAN，人體是無線電信號衰減的通信媒介。在廣播模型添加路徑損失系數(shù)n，則發(fā)射器式(1)為：

ETx(k,d)=Eelec×k+Eamp×n×k×dn

(3)

能量方程式(3)中給定的參數(shù)依賴于硬件。通常WBAN中使用的接收器帶寬為2.4 GHz。

文中提出一個(gè)新的WBAN路由協(xié)議，為WBAN路由協(xié)議中有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)提供寬松約束機(jī)會。在保持路由約束條件不變前提下，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性時(shí)間和吞吐量。以下介紹系統(tǒng)模型與協(xié)議的細(xì)節(jié)。

2.1系統(tǒng)模型

圖1sink和sensor節(jié)點(diǎn)

在這個(gè)方案中，在人體上部署傳感節(jié)點(diǎn)，假設(shè)所有傳感器節(jié)點(diǎn)有相等的能量和計(jì)算功能。匯聚節(jié)點(diǎn)放置在腰部，附近傳感節(jié)點(diǎn)可直接向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。在初始化階段，匯聚節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)包含節(jié)點(diǎn)在人體位置的短信息包。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接到這種控制包后存儲匯聚節(jié)點(diǎn)的位置。然后，每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)廣播一個(gè)包含節(jié)點(diǎn)ID、在身體的位置和能量狀態(tài)的信息包。通過這種方式，網(wǎng)絡(luò)中的所有傳感節(jié)點(diǎn)都更新與鄰居和匯聚節(jié)點(diǎn)的位置。選擇下一跳階段，使用一種基于多跳的WBAN方案，通過在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)被選擇成為父節(jié)點(diǎn)或前驅(qū)節(jié)點(diǎn)設(shè)置條件，分配一個(gè)基于時(shí)分多址(TDMA)的時(shí)段到子節(jié)點(diǎn)用于傳輸數(shù)據(jù)，使得傳感節(jié)點(diǎn)能量消耗平衡、減少網(wǎng)絡(luò)中能量的消耗。圖1為傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)在人體的位置分布。

2.2網(wǎng)絡(luò)模型

通過已知的匯聚節(jié)點(diǎn)ID、距離和剩余節(jié)點(diǎn)的能量，協(xié)議可以計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)代價(jià)函數(shù)和傳輸代價(jià)函數(shù)選出每輪新的前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。假設(shè)i是節(jié)點(diǎn)數(shù)，則第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的代價(jià)函數(shù)為：

(4)

式中：d(i)是第i個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的距離；R.E(i)是節(jié)點(diǎn)i的剩余能量，通過最初的總能量減去當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的能量計(jì)算得出。

具有最小的代價(jià)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先成為前驅(qū)節(jié)點(diǎn)。前驅(qū)節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)綁定一起將數(shù)據(jù)傳輸給前驅(qū)節(jié)點(diǎn)，前驅(qū)節(jié)點(diǎn)集合數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)匯聚節(jié)點(diǎn)。由于前驅(qū)節(jié)點(diǎn)具有最大剩余能量和匯聚節(jié)點(diǎn)間的最小距離，它消耗最低的能量將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)。心電圖和葡萄糖節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間直接通信不參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

3　仿真結(jié)果和分析

為評估本文提出協(xié)議的效率，通過MATLAB R2009a進(jìn)行多組數(shù)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)為Simple與現(xiàn)有的協(xié)議ATTEMPT對比性能。在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)定包括Sink在內(nèi)的20個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，并假定：(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定；(2)節(jié)點(diǎn)同構(gòu)且節(jié)點(diǎn)有唯一ID；(3)節(jié)點(diǎn)都具有相同的初始剩余能量、相同的采集數(shù)據(jù)速率和單位采集數(shù)據(jù)量能量消耗。

3.1吞吐量

吞吐量是匯聚節(jié)點(diǎn)成功的收包數(shù)。WBAN中病人的數(shù)據(jù)非常重要，它需要一個(gè)在匯聚節(jié)點(diǎn)間具有最小丟包率和最大成功接收率的數(shù)據(jù)協(xié)議。相比，簡單的協(xié)議實(shí)現(xiàn)了高吞吐量，如圖2所示。

發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量取決于活著的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。更多活著的節(jié)點(diǎn)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包從而增加網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。協(xié)議ATTEMPT的穩(wěn)定性時(shí)期短于協(xié)議Simple，這意味著發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量下降，吞吐量較低。因此，簡單的協(xié)議有長的穩(wěn)定時(shí)期從而實(shí)現(xiàn)高吞吐量。

3.2剩余能量

文章提出的模型使用多跳拓?fù)?，每個(gè)最遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)通過前驅(qū)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。在每一輪選擇適當(dāng)?shù)那膀?qū)節(jié)點(diǎn)有助于節(jié)約能量，其平均能量消耗如圖3所示。

圖2吞吐量與輪換次數(shù)圖3剩余能量和輪換次數(shù)

每一輪使用不同的多跳拓?fù)淝膀?qū)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)包到匯聚節(jié)點(diǎn)，來限制特定的節(jié)點(diǎn)過載。仿真結(jié)果表明，協(xié)議Simple最低能量消耗僅模擬時(shí)間的70%。這意味著，在穩(wěn)定時(shí)期，更多的節(jié)點(diǎn)擁有了足夠的能量來傳輸更多的數(shù)據(jù)包，并且網(wǎng)絡(luò)的吞吐量也提高了。另外，一些節(jié)點(diǎn)由于過重的負(fù)載而被過早的消耗掉。

4　結(jié)論

本文提出一個(gè)WBAN的數(shù)據(jù)路由方案。該方案使用代價(jià)函數(shù)來選擇適當(dāng)?shù)穆酚赏緩剑⒂?jì)算節(jié)點(diǎn)的剩余能量和距離。節(jié)點(diǎn)以代價(jià)函數(shù)的更小值選定為父節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)成為父節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)并且將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給父節(jié)點(diǎn)。需要傳輸?shù)姆浅Ｖ匾t(yī)療數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)將另外使用直接的方法發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，它們傳輸數(shù)據(jù)不消耗能量轉(zhuǎn)發(fā)。仿真結(jié)果表明，提出的路由方案得到穩(wěn)定的高吞吐量。

[1] 周曉麗.基于WBAN的能量效率優(yōu)化方法研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[2] 葉奇明.無線充電技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].廣東石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015(2):45.

[3] 劉漢春，劉靜，徐友云，等.基于臨時(shí)節(jié)點(diǎn)的無線體域網(wǎng)高效節(jié)能路由算法[J].信息技術(shù)，2010(6):1-5.

[4] Javaid N, Khan Z A, Qasim U, et al. Towards LP Modeling for Maximizing Throughput and Minimizing Routing Delay in Proactive Protocols in Wireless Multi-hop Networks[J]. Computer Science, 2013:1-4.

[5] 王莉莉.基于閾值距離的WBAN能耗優(yōu)化算法的研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[6] 盧先領(lǐng)，彭能明，陸勝男，等.無線體域網(wǎng)節(jié)能策略綜述[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30(2):325-329.

[7] Heinzelman W, Chandrakasan A, Balakrishnan H.Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks[C].Manoa:Hawaii International Conference on System Sciences,2000(18):3005-3014.

(責(zé)任編輯：黃容)

A Multiple Hops Protocol with High Throughput for WBAN

WU Xianjun

(Department of Practical Teaching， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming 525000， China)

To improve the energy efficiency of wireless body area network (WBAN) and achieve high throughput, a kind of multiple hops topology is put forward to save energy consumption and prolong the network life. A cost function is set to select a precursor node that has more residual energy and less transmission distance. The residual energy parameters of the cost function are used to balance the energy loss in the sensor node, while the distance parameters are used to ensure the success rate of packet delivery. Simulation results show that the protocol can get a stably high throughput, helping WBAN continuously monitor the conditions of human body.

WBAN; Cost function; Energy range parameter

2016-06-26；

2016-07-14

吳憲君(1981—)，男，廣東茂名人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)、圖像處理。

TN92

A

2095-2562(2016)04-0041-03