李 銳，李曉卉，李小鈺，丁月民，朱時(shí)暉

(1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430081；2.華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 同濟(jì)醫(yī)院，湖北 武漢 430030；3.天津理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；4.建榮半導(dǎo)體(深圳)有限公司 工程部，廣東 深圳 518051)

0 引 言

BLE Mesh[1]技術(shù)的誕生解決了傳統(tǒng)藍(lán)牙傳輸距離過短的瓶頸[2]，因此這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛[3-5]。然而，目前學(xué)術(shù)上對(duì)BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究偏少，常用的幾種協(xié)議不能滿足市場(chǎng)上各種應(yīng)用的需求。在本文研究的面向BLE Mesh的健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)中，一方面網(wǎng)絡(luò)中有部分節(jié)點(diǎn)時(shí)常處于移動(dòng)狀態(tài)；另一方面現(xiàn)有BLE Mesh路由協(xié)議未考慮負(fù)載均衡導(dǎo)致部分節(jié)點(diǎn)能量消耗過快。因此，現(xiàn)有協(xié)議難以滿足以保證服務(wù)質(zhì)量為首要目標(biāo)的數(shù)據(jù)傳輸需求，這就很容易導(dǎo)致監(jiān)護(hù)信息無(wú)法及時(shí)有效地送達(dá)，從而造成安全隱患。

目前常用的BLE Mesh算法中，CSR Mesh算法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，但其在路由過程中，具有資源占用大、節(jié)點(diǎn)消耗能量快等劣勢(shì)，并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于移動(dòng)的狀態(tài)下，容易產(chǎn)生斷鏈，需要重新發(fā)現(xiàn)路由，導(dǎo)致數(shù)據(jù)無(wú)法穩(wěn)定傳輸[6]；而機(jī)會(huì)路由算法應(yīng)用在本網(wǎng)絡(luò)中由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的存在，導(dǎo)致最優(yōu)節(jié)點(diǎn)的選擇有著很大的不確定性，且最優(yōu)節(jié)點(diǎn)一旦確定，單一的路由路徑就被確定，易出現(xiàn)繞遠(yuǎn)路情況，同樣無(wú)法保證能耗最優(yōu)[7]。部分學(xué)者采用AOMDV算法進(jìn)行路由，由于備用路由的存在，其在一定程度上可以增加網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)能力，并相對(duì)平衡了各節(jié)點(diǎn)能量消耗。然而AODMV采用單一的跳數(shù)作為路由判據(jù)，并未考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)和剩余能量等因素，故選擇的路由往往也不一定是最佳路由[8]。而一些考慮剩余能量的協(xié)議，如文獻(xiàn)[9]將剩余能量運(yùn)用到機(jī)會(huì)路由協(xié)議中，文獻(xiàn)[10]通過設(shè)置能量閾值來(lái)選擇代理父節(jié)點(diǎn)，從而選擇最佳路由。這些協(xié)議對(duì)節(jié)點(diǎn)的剩余能量劃分過于絕對(duì)，沒有動(dòng)態(tài)地考慮節(jié)點(diǎn)能量，故無(wú)法保證達(dá)到負(fù)載均衡。

綜合來(lái)看，在現(xiàn)有的路由協(xié)議的設(shè)計(jì)中，所考慮的路由指標(biāo)往往是固定不變的。而在實(shí)際應(yīng)用中，隨著節(jié)點(diǎn)位置和剩余能量等的動(dòng)態(tài)變化，路徑的選擇同樣要隨著變化做動(dòng)態(tài)調(diào)整。如何通過網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化設(shè)計(jì)出動(dòng)態(tài)的鏈路指標(biāo)，再借助動(dòng)態(tài)鏈路指標(biāo)指導(dǎo)路由建立則是一種新的路由算法設(shè)計(jì)思路。鑒于以上設(shè)計(jì)思路，本文提出一種負(fù)載均衡多徑路由算法(load-balancing ad-hoc on-demand multipath distance vector routing，L-AOMDV)，其在AOMDV的基礎(chǔ)上，一方面考慮了監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性，另一方面考慮了路由節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剩余能量，最終通過引入負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)(load-balancing link quality indicator，LLQI)指導(dǎo)路由建立。

1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相關(guān)模型構(gòu)建

本節(jié)主要介紹網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)剩余能量計(jì)算模型與節(jié)點(diǎn)移動(dòng)狀態(tài)概率計(jì)算模型的詳細(xì)設(shè)計(jì)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)中，各節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，但未對(duì)節(jié)點(diǎn)的功能進(jìn)行劃分，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在健康監(jiān)護(hù)的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，功耗過大。為了進(jìn)一步優(yōu)化BLE Mesh健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗[11,12]，本文采用一種新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將BLE Mesh節(jié)點(diǎn)分為3類：固定終端節(jié)點(diǎn)、固定路由節(jié)點(diǎn)和可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

其中固定終端節(jié)點(diǎn)采用低功耗廣播(low power advertisement，ADV LOW)廣播自身設(shè)備信息，其僅定期采集傳感器信息,然后將信息發(fā)送至其它固定路由節(jié)點(diǎn)，或獲取固定路由節(jié)點(diǎn)的控制信息；固定路由節(jié)點(diǎn)具備固定終端節(jié)點(diǎn)的功能，同時(shí)其可利用廣播中繼(advertisement relay，ADV RELAY)接收和中繼其它節(jié)點(diǎn)的信息，起路由功能；而可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)具備固定路由節(jié)點(diǎn)的全部功能，屬于全功能節(jié)點(diǎn)，其具有一定的運(yùn)算能力并可根據(jù)藍(lán)牙信標(biāo)獲取自身位置[13]，另外其采用標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙的關(guān)貿(mào)總協(xié)定(general agreement on tariffs and trade，GATT)與手機(jī)通信。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 動(dòng)態(tài)剩余能量計(jì)算模型

如果簡(jiǎn)單地以當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的剩余能量作為影響路由判據(jù)的相關(guān)因子，則可能不能設(shè)計(jì)出最佳判據(jù)，因?yàn)檫@種策略忽略了能量消耗的速度，例如某個(gè)路由節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量較多，然而其能量消耗速度過快，在選擇路徑時(shí)也應(yīng)降低此節(jié)點(diǎn)的選擇權(quán)重。為了動(dòng)態(tài)獲得節(jié)點(diǎn)的剩余能量，可通過構(gòu)建模型滾動(dòng)預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)間段節(jié)點(diǎn)的剩余能量，再通過未來(lái)節(jié)點(diǎn)剩余能量的多少來(lái)設(shè)計(jì)路由判據(jù)影響因子。由于預(yù)測(cè)僅參考過去剩余能量這一個(gè)指標(biāo)，預(yù)測(cè)模型必須簡(jiǎn)單、精度相對(duì)較高，且計(jì)算難度不能過大，因此本文采用灰色一階一元預(yù)測(cè)模型GM(1,1) 來(lái)預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量[14]，灰色預(yù)測(cè)模型具有樣本數(shù)量要求低、算法相對(duì)簡(jiǎn)便、短期預(yù)測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，因此比較適合在本系統(tǒng)中預(yù)測(cè)未來(lái)各節(jié)點(diǎn)的剩余能量[15]，預(yù)測(cè)步驟如下：

每隔固定時(shí)間t，記錄固定路由節(jié)點(diǎn)的剩余能量，持續(xù)記錄的總時(shí)間為T=nt，記錄完畢，將數(shù)據(jù)傳輸給全功能節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，即得到滾動(dòng)的固定路由節(jié)點(diǎn)的剩余能量時(shí)間序列為

x=(x(1),x(2),…,x(n))

(1)

式中：x(n) 表示在n時(shí)刻固定路由節(jié)點(diǎn)的剩余能量值。

對(duì)剩余能量序列按照式(2)進(jìn)行累加

(2)

得到累加的剩余能量序列

X=(X(1),X(2),…,X(n))

(3)

對(duì)X建立灰色模型的一次微分方程，其方程如式(4)所示

(4)

(5)

式中：Yn和B的計(jì)算分別如下

(6)

(7)

(8)

1.3 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)狀態(tài)概率計(jì)算模型

由于被監(jiān)護(hù)者為可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)被監(jiān)護(hù)者的特征，即其不是隨機(jī)的在網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)區(qū)域移動(dòng)，而是其有很大概率會(huì)在某些固定區(qū)域之間移動(dòng)，故可構(gòu)建一種簡(jiǎn)單的模型計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于各個(gè)區(qū)域的概率，得到概率之后，在設(shè)計(jì)路由判據(jù)時(shí)將區(qū)域概率因素考慮進(jìn)來(lái)，則設(shè)計(jì)的鏈路更偏向于選擇移動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻率高的區(qū)域中的路由節(jié)點(diǎn)。下面是構(gòu)建該模型的方法：

在布置固定路由節(jié)點(diǎn)之后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)平面分布，先記錄下固定路由節(jié)點(diǎn)的位置信息，然后根據(jù)布點(diǎn)情況將整個(gè)區(qū)域平均劃分為多個(gè)，如圖2所示分布，可將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為9個(gè)區(qū)域，設(shè)區(qū)域序列Z=(Z1,Z2,…,Z9)， 則Z1至Z9表示這9個(gè)區(qū)域。為了獲取可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置情況，需要在應(yīng)用區(qū)域四周布置數(shù)個(gè)藍(lán)牙信標(biāo)，通過信標(biāo)即可隨時(shí)記錄可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置情況。

圖2 節(jié)點(diǎn)劃分區(qū)域

由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可通過藍(lán)牙信標(biāo)得到當(dāng)前的位置，故每隔固定時(shí)間t，記錄移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域位置，持續(xù)滾動(dòng)記錄的總時(shí)間為T=nt，記錄完畢，可得到T時(shí)間段內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于各區(qū)域的序列為

(9)

式中：序列D即表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在T時(shí)間內(nèi)依次處于各區(qū)域的情況。由式(10)可統(tǒng)計(jì)出T時(shí)間內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處于各個(gè)區(qū)域的概率Ni為

(10)

2 L-AOMDV路由算法

L-AOMDV算法考慮了節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剩余能量和移動(dòng)特性，即在構(gòu)建鏈路時(shí)優(yōu)先考慮動(dòng)態(tài)剩余能量大的路由節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻率高的區(qū)域內(nèi)的固定路由節(jié)點(diǎn)，上一節(jié)介紹了如何通過兩個(gè)模型計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剩余能量和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的區(qū)域概率，本節(jié)詳細(xì)介紹利用這兩個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)出新的路由判據(jù)——負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)，并介紹整個(gè)算法流程。

2.1 負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)

首先需要考慮鏈路的質(zhì)量因素。對(duì)于確定的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，一般有著固定范圍的鏈路質(zhì)量值LQI，且一般由MAC層計(jì)算得到。設(shè)LQImax和LQImin為L(zhǎng)QI的上下限，對(duì)于相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量的權(quán)值標(biāo)準(zhǔn)化由式(11)表示

(11)

式中：YLQIab為節(jié)點(diǎn)a到節(jié)點(diǎn)b的歸一化鏈路質(zhì)量指標(biāo)。

其次考慮路由節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剩余能量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，未來(lái)時(shí)間段剩余能量高的固定路由節(jié)點(diǎn)影響整個(gè)鏈路質(zhì)量的權(quán)重會(huì)高于剩余能量低的節(jié)點(diǎn)。設(shè)Emax為初始的節(jié)點(diǎn)最大能量，定義Ej為固定路由節(jié)點(diǎn)能量指標(biāo)系數(shù)，則

(12)

接下來(lái)考慮網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)處在各區(qū)域的概率不同，故各Zi區(qū)域內(nèi)的固定路由節(jié)點(diǎn)影響整個(gè)鏈路質(zhì)量的權(quán)重不同。定義Ti為處于Zi區(qū)域的固定路由節(jié)點(diǎn)狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)，則

(13)

式中:Ni為上一節(jié)得到的固定路由節(jié)點(diǎn)區(qū)域概率，λ為調(diào)節(jié)因子，調(diào)節(jié)狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)的大小，其值越大則狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)數(shù)值越小，狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)值越小則移動(dòng)狀態(tài)對(duì)整個(gè)鏈路指標(biāo)的影響度也就越小。

結(jié)合式(12)和式(13)可得到節(jié)點(diǎn)a與節(jié)點(diǎn)b之間的負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)Rab

Rab=TiaTibEaEb

(14)

式中：Tia為節(jié)點(diǎn)a對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)值，例如節(jié)點(diǎn)a處于Z2區(qū)域，則Tia=T2，同理Tib為節(jié)點(diǎn)b對(duì)應(yīng)的狀態(tài)指標(biāo)系數(shù)值，Ea和Eb分別為節(jié)點(diǎn)a和節(jié)點(diǎn)b的能量指標(biāo)系數(shù)值。

再根據(jù)式(15)可得到兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)LLQIab

LLQIab=RabYLQIab

(15)

LLQIab數(shù)值越高表明兩節(jié)點(diǎn)間鏈路質(zhì)量和能量均衡性能越好。

最后計(jì)算整條鏈路的負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)，對(duì)于從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的完整鏈路，其負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)計(jì)算如式(16)表示

(16)

LLQIpath即為整個(gè)路徑的負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)，數(shù)值越大表示整條鏈路的通信性能和負(fù)載均衡度越好。

2.2 算法流程圖

L-AOMDV算法的流程如圖3所示。

圖3 L-AOMDV算法流程

整個(gè)路由算法分為路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)和路由更新3個(gè)部分。

整個(gè)算法在路由發(fā)現(xiàn)階段查找出所有可能的節(jié)點(diǎn)不相交多路徑；由于在路由請(qǐng)求和應(yīng)答報(bào)文中包含負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)，因此可以計(jì)算得到各條路徑的負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)；在選擇路徑時(shí)選擇指標(biāo)最大的作為主路徑，并預(yù)留兩條備用路徑。在普通模式下采用主路由進(jìn)行通信，若監(jiān)護(hù)人健康出現(xiàn)異常，則系統(tǒng)進(jìn)入緊急模式，此時(shí)系統(tǒng)同時(shí)采用主路徑和備用路徑傳輸數(shù)據(jù)，以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。

當(dāng)路徑建立后，系統(tǒng)進(jìn)入路由維護(hù)狀態(tài)，在此期間，目的節(jié)點(diǎn)定期向源節(jié)點(diǎn)發(fā)送維護(hù)消息，維護(hù)信息中包含節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，在這一過程中系統(tǒng)會(huì)時(shí)刻檢測(cè)維護(hù)消息中的LLQI值。

若檢測(cè)的LLQI值出現(xiàn)異常，系統(tǒng)進(jìn)入路由更新狀態(tài)：當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到LLQI值降低到預(yù)警值的時(shí)候，開始進(jìn)行備用路由更新，源節(jié)點(diǎn)發(fā)送更新信息沿每一條備用路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，并且重新計(jì)算鏈路的LLQI值，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)第二次檢測(cè)到鏈路狀態(tài)降低到預(yù)警值的時(shí)候，開始切換備用路徑，在備用路徑選擇鏈路狀態(tài)最好的路由進(jìn)行通信，并且將原路徑從路由表中刪除，當(dāng)所有備用路徑都失效時(shí)，重新進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。

3 仿真與結(jié)果

為評(píng)估L-AOMDV在BLE Mesh健康監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的有效性，本文在MATLAB上開發(fā)了L-AOMDV算法，并和CSR Mesh路由算法與AOMDV算法進(jìn)行仿真對(duì)比。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真的社區(qū)健康監(jiān)護(hù)BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域?yàn)?0*30 m2的區(qū)域。考慮到現(xiàn)實(shí)中場(chǎng)景布點(diǎn)數(shù)量的不同，本次仿真分別采用10個(gè)至40個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行模擬，其中包含較少量的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域共劃分為9個(gè)，固定節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分散在這9個(gè)區(qū)域之中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)按照一定軌跡在3個(gè)-7個(gè)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)，獲取位置間隔時(shí)間t設(shè)為20 min，記錄總時(shí)間設(shè)為9t。在相同條件下，經(jīng)仿真測(cè)得，調(diào)節(jié)因子λ數(shù)值在1.3-1.7之間具有較好的實(shí)驗(yàn)效果，若調(diào)節(jié)因子λ過低則路由開銷過大且分組投遞率并沒有明顯提升；若調(diào)節(jié)因子λ過高，則移動(dòng)狀態(tài)概率計(jì)算對(duì)提升網(wǎng)絡(luò)性能沒有起到積極的效果，本次仿真中調(diào)節(jié)因子λ取1.5。確定調(diào)節(jié)因子λ之后，繼續(xù)在相同條件下求得調(diào)節(jié)因子σ的最優(yōu)值，經(jīng)仿真測(cè)得調(diào)節(jié)因子σ數(shù)值在2.5-3.4之間時(shí)，路由開銷總體增加不多，卻可有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，在本次仿真中調(diào)節(jié)因子σ取3.1。在不考慮緊急模式的情況下，具體的仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真場(chǎng)景參數(shù)

3.2 仿真性能指標(biāo)

為了更好地評(píng)估各種算法在健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)中的性能差異，本文以分組投遞率作為算法性能評(píng)估的基礎(chǔ)指標(biāo)。分組投遞率可用于表征數(shù)據(jù)包投遞成功的概率，若此數(shù)值過低，則表明算法性能較低，不適合采用。

在保證有較高的分組投遞率的前提下，再選擇平均節(jié)點(diǎn)死亡個(gè)數(shù)作為負(fù)載均衡性能的評(píng)估指標(biāo)，若算法的負(fù)載均衡性能越好，則平均節(jié)點(diǎn)死亡個(gè)數(shù)的值越低。

另外，為了綜合地了解算法的其它性能，例如數(shù)據(jù)包投遞過程中所用時(shí)間與網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度等，本文選擇平均路由跳數(shù)作為算法性能評(píng)估的輔助指標(biāo)，借助此指標(biāo)可以更全面地了解算法的性能。

3.3 仿真結(jié)果分析

3種算法的分組投遞率仿真結(jié)果如圖4所示。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，3種路由算法的分組投遞率均隨之上升。由圖可知，L-AOMDV有更高的分組投遞率，其原因在于一方面L-AOMDV能通過LLQI值，優(yōu)先向移動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻率高的區(qū)域內(nèi)的固定路由節(jié)點(diǎn)建鏈，以此保證在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中的通信順暢；另一方面L-AOMDV考慮了節(jié)點(diǎn)的未來(lái)剩余能量，這一定程度避免了部分節(jié)點(diǎn)過早死亡對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。而AOMDV僅根據(jù)網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)下的路由發(fā)現(xiàn)跳數(shù)建立路由表，無(wú)法保證在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中的鏈路穩(wěn)定性。CSR Mesh由于每次僅能建立一條鏈路，在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的情況下無(wú)法保障該鏈路的有效性。

圖4 分組投遞率仿真結(jié)果

當(dāng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為40個(gè)節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)初始能量設(shè)置為2 J時(shí)，3種路由算法的平均節(jié)點(diǎn)死亡個(gè)數(shù)情況如圖5所示。由圖可知，隨著時(shí)間的增加，L-AOMDV算法中的節(jié)點(diǎn)死亡速率遠(yuǎn)低于另外兩種路由算法，且在路由開始運(yùn)行的50 min內(nèi)，L-AOMDV算法中無(wú)節(jié)點(diǎn)死亡。這表示在各節(jié)點(diǎn)均有相同的能量下，L-AOMDV算法能夠延遲第一個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡時(shí)間；在相同時(shí)間段內(nèi)，采用L-AOMDV算法的網(wǎng)絡(luò)中死亡的節(jié)點(diǎn)數(shù)目最少。在現(xiàn)實(shí)中，則表示不會(huì)出現(xiàn)某個(gè)健康監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)過早死亡從而導(dǎo)致某項(xiàng)數(shù)據(jù)遺失的情況，也意味著不需要頻繁地給某些節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充能量。出現(xiàn)以上結(jié)果是因?yàn)長(zhǎng)-AOMDV盡可能優(yōu)先選擇能量相對(duì)較高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，也盡可能優(yōu)先選擇移動(dòng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)頻率高的區(qū)域內(nèi)的固定路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，這相當(dāng)于負(fù)載均衡地分擔(dān)給了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，另外由于節(jié)點(diǎn)死亡速率變慢，也相當(dāng)于延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

圖5 平均節(jié)點(diǎn)死亡個(gè)數(shù)對(duì)比

路由跳數(shù)仿真結(jié)果如圖6所示，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，3種路由算法的平均路由跳數(shù)均隨之上升。L-AOMDV所耗路由跳數(shù)高于AOMDV與CSR Mesh，這是因?yàn)锳OMDV 與CSR Mesh會(huì)優(yōu)先選擇路由跳數(shù)最短的路徑進(jìn)行路由，而L-AOMDV會(huì)考慮移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置和節(jié)點(diǎn)的未來(lái)剩余能量。L-AOMDV較之AOMDV與CSR Mesh而言，路由跳數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)的開銷和復(fù)雜度會(huì)相應(yīng)有所增加。對(duì)于復(fù)雜度，由于健康信息的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少且設(shè)定的發(fā)送間隔周期較長(zhǎng)，從仿真結(jié)果來(lái)看，分組投遞率的顯著提高表明復(fù)雜度的提高對(duì)本應(yīng)用影響不大。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)整體開銷的增加，由于健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性和有效性要求較高，因此以一定的開銷換取更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期是可以接受的。

圖6 平均路由跳數(shù)仿真結(jié)果

圖7為一段時(shí)間內(nèi)源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)通信過程中生成的3條路徑的LLQI值展示情況。在通信伊始，由于路徑1的LLQI值最高，故選取路徑1作為主路由通信。隨著網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的增加以及部分節(jié)點(diǎn)能量的減少，各路徑的LLQI值均有所下降。在運(yùn)行過程中，當(dāng)路徑1的LLQI值低于設(shè)定的閥值，而路徑2的LLQI值相對(duì)較高時(shí)，則表明路徑2的通信性能更佳，此時(shí)開始切換備用路徑，選擇路徑2作為主路由通信。通過以上備用路由的切換過程也進(jìn)一步表明了L-AOMDV算法所采用策略的有效性。

圖7 L-AOMDV算法中多路徑LLQI值

綜上所述，在存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的BLE Mesh健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)中，L-AOMDV算法在性能上較AOMDV與CSR Mesh算法存在一定優(yōu)勢(shì)，其一方面保證了數(shù)據(jù)投遞的成功率，另一方面又延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期，有效增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)性能。雖然L-AOMDV算法在路由開銷方面會(huì)略高，但是在對(duì)穩(wěn)定性和有效性要求更高的健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)下，L-AOMDV算法更能夠滿足健康監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中存在可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)算法未考慮負(fù)載均衡因素造成BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的問題，本文提出了一種負(fù)載均衡多徑路由算法——L-AOMDV，在算法中綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)特性和未來(lái)剩余能量并引入更加有效的負(fù)載均衡鏈路狀態(tài)指標(biāo)——LLQI來(lái)指導(dǎo)建立鏈路，同時(shí)在路由維護(hù)中通過及時(shí)更新LLQI的值來(lái)選取最佳備用鏈路；另外系統(tǒng)還優(yōu)化了BLE Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)立了緊急模式來(lái)進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性。仿真結(jié)果表明，L-AOMDV算法比傳統(tǒng)的CSR Mesh算法和AOMDV算法有更高的投遞率和更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期，因此在家庭社區(qū)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中，其更能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和有效性。