彭 藝，張 聳

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network, WBAN)[1]技術(shù)的逐漸成熟，其在公共醫(yī)療，體育運動等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。無線體域網(wǎng)具有多跳、自組織，自主配置的特點[2]，其節(jié)點一般為電池供電，故能量有限[3]。此外，WBAN的鏈路是無線信道，加之人體的運動是難以預(yù)知的，從而導(dǎo)致信道的質(zhì)量是處于隨之變化的狀態(tài)[4]。文獻[5]通過對已有節(jié)能策略的分析，得出如何部署轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點位置是減少能耗的關(guān)鍵。文獻[6]提出了自適應(yīng)睡眠調(diào)度的路由算法，可以一定程度降低處于睡眠或者功率較低狀態(tài)下節(jié)點的能量消耗，從而使體域網(wǎng)的生存期得以延長。文獻[5～6]提出的節(jié)能策略都未涉及節(jié)點功率變化對體域網(wǎng)能量損耗的影響。因此，有必要以節(jié)點功率為主要控制因素，對WBAN的能耗進行深入研究。

本文在原有AODV算法的基礎(chǔ)上，以延長無線體域網(wǎng)的生存期為目的，設(shè)計了一種基于功率控制的能耗優(yōu)化算法PC-AODV。該路由根據(jù)WBAN的實時狀態(tài)，動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點的發(fā)射功率和傳輸路徑，能夠最大限度利用節(jié)點的能量，有效延長網(wǎng)絡(luò)生存期，并通過Matlab進行仿真驗證。

1 系統(tǒng)模型

1.1 無線體域網(wǎng)節(jié)點發(fā)射功率分析

無線體域網(wǎng)中，在確保信息準確傳遞的前提下，可以通過調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點的發(fā)射功率，來滿足不同的傳輸半徑，同時將能量消耗降到最小[7]。假定體域網(wǎng)中有n個節(jié)點，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息為k位，與下一個傳輸節(jié)點的距離為d,則發(fā)射節(jié)點的能量消耗可以表示為[8]

Pt(k,d)=k×pelec+k×pfs×d2

(1)

同時，接收節(jié)點的能量消耗值為

Pr(k)=k×Pelec

(2)

其中，Pelec=50 nJ/bit，Pfs=10 pJ/bit/m2，d0=100 m,Pamp=0.001 3 pJ/bit/m4，Pda=5 nJ/bit/signal。

在無線體域網(wǎng)的實際應(yīng)用中，選擇較為可靠地傳輸鏈路，盡可能減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)，能夠大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?。如果鏈路穩(wěn)定性差，則信息傳輸失敗的概率將會升高；如果發(fā)射功率保持固定不變，傳輸距離不同，可能出現(xiàn)信息傳遞下一跳失敗的情況，這都會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率降低[9]。

2 鏈路穩(wěn)定性數(shù)學(xué)建模

無線體域網(wǎng)傳輸路徑的穩(wěn)定性和節(jié)點的連接方式受多種因素的影響[10]。例如節(jié)點自身的能量，信道干擾，外界環(huán)境和鏈路相關(guān)性等。主要研究無線體域網(wǎng)的能量利用率及傳輸鏈路結(jié)構(gòu)對路徑穩(wěn)定性的影響[11]。多徑路由可以分成兩種，即節(jié)點獨立多徑路由和鏈路獨立多徑路由：(1)鏈路獨立多徑路由，指傳輸路徑間有共用的節(jié)點但是沒有共用的鏈路[12]，如圖1所示；(2)節(jié)點獨立多徑路由，指傳輸路徑除了源節(jié)點和目的節(jié)點外，沒有共用的節(jié)點或傳輸鏈路，各條路徑之間是相互獨立的[12]，如圖2所示。

圖1 鏈路獨立型多徑路由

圖2 節(jié)點獨立型多徑路由

針對以上提到兩種路由模型，對其傳輸鏈路發(fā)生斷裂的概率進行比較。用P(0≤P≤1)來表示每個節(jié)點發(fā)生故障的概率，令A(yù)i,Bi和Ci,Di分別為鏈路獨立性多徑路由和節(jié)點獨立性多徑路由路徑上的節(jié)點，P0表示節(jié)點獨立性路由發(fā)生故障的概率，P1表示鏈路獨立路由發(fā)生故障的概率。節(jié)點獨立性路由的傳輸路徑中沒有共用的節(jié)點，其鏈路斷裂的概率，如式(3)所示。

P0=[1-(1-P)n][1-(1-p)m]

(3)

當鏈路獨立性路由在傳輸路徑中含有一個共用的節(jié)點時，其鏈路斷裂的概率，如式(4)所示。

P1=[1-(1-p)n-1][1-(1-p)m-1]

(4)

對這兩條路徑的穩(wěn)定性進行比較，如式(5)所示。

f1(p)=P1-P0=p[1-(1-p)n-1-(1-p)n-1+(2-p)(1-p)n-1(1-p)m-1]≥p[1-(1-p)n-1][1-(1-p)m-1]≥0

(5)

即P1≥P0，從而得出結(jié)論：節(jié)點獨立性路由的穩(wěn)定性比只有一個共用節(jié)點的鏈路獨立性路由高。

當鏈路獨立性路由的傳輸路徑中有k(k≥2)個共用的節(jié)點時，其鏈路斷裂的概率，如式(6)所示。

Pk=[1-(1-pn-k)][1-(1-p)m-k]+kp

(6)

下面對擁有一個和k個共用節(jié)點的路由，進行穩(wěn)定性比較

(7)

即Pk≥P1≥P0，結(jié)果表明：(1)對于鏈路獨立性路由，在其傳輸路徑中，如果共同使用的節(jié)點數(shù)目越多，其鏈路出現(xiàn)故障的概率越高，穩(wěn)定性就越差；(2)節(jié)點獨立性鏈路出現(xiàn)故障的概率小于鏈路獨立性鏈路，則節(jié)點獨立性路由穩(wěn)定性較高。所以本文研究的路由均采用節(jié)點獨立的路由模型，可以最大程度的提高體域網(wǎng)傳輸鏈路的穩(wěn)定性，減少節(jié)點能量的消耗。

3 基于功率控制的PC-AODV路由算法

在無線體域網(wǎng)中，節(jié)點自身能量有限是影響網(wǎng)絡(luò)正常工作的關(guān)鍵因素[13]。因此，減少能耗為選擇傳輸路徑的重要標準之一[14]。構(gòu)造一個最佳網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)F(P)，此函數(shù)作為路徑選擇的依據(jù)，將能耗值最小的路徑選出，并定為傳輸?shù)淖罴崖窂健?/p>

令α,β分別表示路徑i中節(jié)點發(fā)射功率所占比重和節(jié)點的能量剩余所占比重，θ表示路徑跳數(shù)在總能耗函數(shù)中所占的比重，其中滿足0<α<0.2，0.2<β<1，0.2<θ<1且α+β+θ=1。由于PC-AODV算法將節(jié)點的發(fā)射功率作為路徑選擇時的主要考慮因素，并需要保證最小的能耗值，因此所占的權(quán)重相比于其他兩項應(yīng)該明顯偏低。

設(shè)定鏈路i中節(jié)點的發(fā)射功率為Eim，節(jié)點的剩余能量為Rim，傳輸路徑到達目的節(jié)點的所經(jīng)歷的跳數(shù)為Him，則傳輸鏈路中節(jié)點m的網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)定義為f(pim)

(8)

(9)

(10)

路由請求回應(yīng)的信息到達傳輸路徑的源節(jié)點后，節(jié)點會對路徑上n條接收到的路由請求進行回應(yīng)[15]，對其能耗值進行比較，選擇能耗值最小的鏈路作為最終傳輸鏈路。

F(p)=min{Wi|1≤i≤n}

(11)

4 仿真分析

基于Matlab進行仿真分析，生存期定義為無線體域網(wǎng)從開始工作到節(jié)點能量被耗盡的時間，該仿真主要實現(xiàn)相同條件下，節(jié)點剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生存期的比較。由于AODV是一種按需路由協(xié)議，相比于功率控制的PC-AODV路由算法，節(jié)點發(fā)送相同的數(shù)據(jù)量，所損耗的能量相對較多。

圖3描述了使用AODV算法和PC-AODV算法的某個節(jié)點剩余能量隨時間的變化情況，初始能量為100 mJ。其中PC-AODV路由算法在初始階段能夠最大限度確保能量的高效使用，開始后250 s能量沒有明顯消耗,較AODV算法延后150 s,即體域網(wǎng)工作前期，改進算法能夠有效避免不必要的能量損耗。此后，PC-AODV路由節(jié)點剩余能量仍明顯高于AODV路由算法，且當AODV協(xié)議節(jié)點能量耗盡時，改進算法仍可以高效工作，其生存期較原來延長3/8，節(jié)點能量得到充分利用，體域網(wǎng)的生存期得以有效延長。

圖3 剩余能量隨時間的變化

圖4描述了AODV算法和PC-AODV算法網(wǎng)絡(luò)生存期的對比變化情況。在相同節(jié)點數(shù)目的前提下，PC- AODV算法相對AODV能夠有效延長網(wǎng)絡(luò)的生存期，且體域網(wǎng)節(jié)點密度越大，節(jié)點間距離越小，節(jié)點傳輸所需功率越小，其能耗相對較小，網(wǎng)絡(luò)生存期就會越長。當節(jié)點能量耗盡時，傳輸路徑的路由表會將該點刪除，選擇可以傳輸?shù)墓?jié)點作為下一跳節(jié)點，此時動態(tài)調(diào)節(jié)功率的優(yōu)勢明顯，網(wǎng)絡(luò)生存期相應(yīng)延長。

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存期隨節(jié)點數(shù)目的變化

5 結(jié)束語

無線體域網(wǎng)作為無線傳感網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的具體應(yīng)用，具有非常大的發(fā)展前景。本文在按需路由AODV算法的基礎(chǔ)上提出了改進的路由算法PC-AODV，是一種適合WBAN的能耗優(yōu)化路由算法。在鏈路穩(wěn)定性較高的節(jié)點獨立的路由前提下，盡量選擇路由跳數(shù)少、剩余能量豐富且不包含能量耗盡的節(jié)點的路徑，以功率作為主要控制因素，動態(tài)調(diào)節(jié)功率對傳輸路徑進行優(yōu)化。通過仿真得出，PC-AODV算法在數(shù)據(jù)傳輸時能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中的資源，減少能量損耗，在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的生存期，能夠充分體現(xiàn)改進算法的性能優(yōu)越性。本文雖然提出了低功耗的路由優(yōu)化算法，但是造成了傳輸時延和計算復(fù)雜度的增加，如何解決此類問題為下一步的研究內(nèi)容。