基于ZigBee和AODV協(xié)議的無線體域網(wǎng)性能仿真

張博葉+賀鵬飛+杜根來+李曉

摘 要：作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，無線體域網(wǎng)以其巨大的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。文章依據(jù)采集人體主要生理指標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)位置，采用ZigBee無線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，構(gòu)建了無線體域網(wǎng)人體模型；并通過無線網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2仿真了基于ZigBee的無線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率，探究了ZigBee協(xié)議對(duì)無線體域網(wǎng)的適用性。

關(guān)鍵詞：無線體域網(wǎng)；ZigBee；NS2；時(shí)延；丟包率

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）04-0044-03

0 引 言

無線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN）又稱體域傳感網(wǎng)（Body Area Sensor Networks，BASN），它是以人體為中心的通信網(wǎng)絡(luò)，是由分布于人體表面和人體內(nèi)部的傳感器和組網(wǎng)設(shè)備以及與人體有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成[1]。WBAN隨著醫(yī)療健康領(lǐng)域的飛速發(fā)展以及市場(chǎng)的巨大需求，越來越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的青睞。

WBAN的業(yè)務(wù)種類異構(gòu)，普通業(yè)務(wù)、緊急業(yè)務(wù)和按需業(yè)務(wù)共存，因此其對(duì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有著特殊的要求[2，3]。當(dāng)前WBAN主要采用的傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶（UWB）、紅外和NFC等。而ZigBee技術(shù)相比于其他技術(shù)具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此更加適合應(yīng)用于WBAN的數(shù)據(jù)傳輸[4]。本文將ZigBee協(xié)議應(yīng)用于WBAN，結(jié)合經(jīng)典的AODV協(xié)議，構(gòu)建了WBAN人體模型；進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2，仿真測(cè)試了衡量WBAN的可靠性指標(biāo)—丟包率和時(shí)效性指標(biāo)—時(shí)延，探究了ZigBee協(xié)議對(duì)WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m用性。

1 ZigBee短距離無線通信技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee因?qū)Ｖ诘统杀?、低速率等要求，它有如下特點(diǎn)：

（1）廉價(jià)，ZigBee協(xié)議棧簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)練，需要的各項(xiàng)成本小[5]，隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，ZigBee通信模塊的價(jià)格可降至兩美元左右；

（2）省電，ZigBee收發(fā)信息需要的功率很低，工作周期短，附有休眠模式，所以避免了更換電池和頻繁充電；

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備；

（4）安全，ZigBee有鑒權(quán)的能力，保證了用戶的私人信息，加強(qiáng)了保密性。此外，ZigBee還有可靠、較大的網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)，使ZigBee有較好的應(yīng)用前景和研究價(jià)值[6]；

表1給出ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)的對(duì)比[7，8]。ZigBee與Bluetooth相比協(xié)議棧更簡(jiǎn)單，需要的軟硬件資源相對(duì)少很多，且可以支持更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術(shù)相比較來說，Wi-Fi的應(yīng)用相對(duì)成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB比較來說，后者有較高的通信速率和較大的數(shù)據(jù)容量，但缺乏統(tǒng)一性的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee和NFC對(duì)比來看，ZigBee的通信距離遠(yuǎn)大于后者，且功耗更低。因此從理論上講，ZigBee協(xié)議適合WBAN體征監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)傳輸[9]。

2 AODV路由協(xié)議

本文依據(jù)所建WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，選擇應(yīng)用AODV（Ad hoc on-demand distance vector routing）路由協(xié)議。AODV是一種反應(yīng)式路由協(xié)議，也稱為按需路由協(xié)議（On-demand Routing Protocol），僅當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸，需要包的傳輸路徑時(shí)，才開始進(jìn)行路由查找。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者探究的結(jié)果可知，若考慮數(shù)據(jù)源的數(shù)目、模型中節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性、以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題時(shí)，按需方式的路由算法相比于其他的算法有著很大的優(yōu)勢(shì)[10]。

AODV具體工作機(jī)制：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)先檢查本身有沒有所要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果自身沒有儲(chǔ)存所要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，就開始以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請(qǐng)求）報(bào)文。在所發(fā)的RREQ報(bào)文中詳細(xì)記錄了源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RREQ后，首先進(jìn)行判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否為自己。如果是，則向發(fā)起的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP（路由回應(yīng)）；若不是，則在自己的路由表中查找其中是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果有，仍然向源節(jié)點(diǎn)單播RREP，同樣若沒有，則會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的RREQ進(jìn)行進(jìn)一步查找。概括來說，在AODV路由情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在需要進(jìn)行通信時(shí)才會(huì)發(fā)送路由分組，這樣大大減少了路由查找的開銷[11]。

因此，AODV作為一種經(jīng)典的路由協(xié)議，對(duì)于無線體域網(wǎng)涉及的各個(gè)體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸來說可以勝任。

3 人體仿真模型的建立

在人身體上的一些關(guān)鍵部位，部署具有特定用途的傳感節(jié)點(diǎn)，用來實(shí)時(shí)采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為體征信息檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)，它們把采集來的身體的生理信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，對(duì)于人體來說，匯聚節(jié)點(diǎn)可由手機(jī)充當(dāng)。匯聚節(jié)點(diǎn)再把接收到的信息通過衛(wèi)星或局域網(wǎng)絡(luò)最終傳送到專門的部門，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，也可以在自己的手機(jī)上儲(chǔ)存身體各項(xiàng)生理指標(biāo)的正常范圍區(qū)間，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)送來的某項(xiàng)生理值不在正常范圍區(qū)間內(nèi)時(shí)，便會(huì)報(bào)警提醒所要檢測(cè)的主體。上述過程可以通過編寫專門的程序來實(shí)現(xiàn)，比如當(dāng)主體的血糖偏低時(shí)，手機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)鬧鈴功能，假設(shè)此時(shí)鈴聲設(shè)置為A，而當(dāng)血壓偏高時(shí)，鬧鈴將啟動(dòng)鈴聲B，再進(jìn)一步，也可以把出現(xiàn)的每種不正常生理狀況的應(yīng)對(duì)策略以及注意事項(xiàng)，儲(chǔ)存在主體的手機(jī)里，在鬧鈴提示某種狀況的同時(shí)，及時(shí)提供一些可行性建議。

本論文根據(jù)在人體范圍內(nèi)構(gòu)建WBAN的特征：短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本，選擇了ZigBee協(xié)議和AODV路由協(xié)議來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

首先，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性，仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測(cè)主要指標(biāo)的位置以及相對(duì)應(yīng)的比例，設(shè)定了十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（由手機(jī)來擔(dān)任）的坐標(biāo)，在仿真中以CBR（Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù)發(fā)生器來充當(dāng)人體傳感節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體的信息采集過程以及每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)只接收其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。

圖1 無線體域網(wǎng)體征信息檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)分布圖

本模型中所設(shè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的生理參數(shù)均為對(duì)人體的健康狀況非常重要的指標(biāo)，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實(shí)時(shí)采集心臟的跳動(dòng)情況，并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼，心臟的工作情況對(duì)于人體來說至關(guān)重要，有其對(duì)于有心臟病的群體來說重要性更加突顯；n3 EEG傳感器：能感受大腦皮質(zhì)電位波形并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)大腦皮層的活動(dòng)情況；n2，n9血壓傳感器：實(shí)時(shí)采集人的血壓情況，把采集來的血壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼，檢測(cè)血壓值的變化，最終防止血壓高或者血壓低帶來人體的危害；n7作為匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）在此相當(dāng)于移動(dòng)通信領(lǐng)域中的基站，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在人體及人體周圍2 m×2 m范圍內(nèi)構(gòu)建由11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線體域網(wǎng)，接著我們創(chuàng)建了10個(gè)UDP代理并把它們附加到10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，然后為UDP代理附加1個(gè)CBR業(yè)務(wù)發(fā)生器，該發(fā)生器可以在業(yè)務(wù)代理節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在n7匯聚節(jié)點(diǎn)上，10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制向n7發(fā)送CBR包，根據(jù)檢測(cè)的業(yè)務(wù)信息不同設(shè)定包的大小不同，表2所列是體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送CBR包的大小，其發(fā)送速率均為250 Kb/s，仿真運(yùn)行時(shí)間為100 s。

4 仿真分析

為了探究ZigBee協(xié)議對(duì)無線體域網(wǎng)絡(luò)的適用性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行了仿真，并對(duì)主要衡量可靠性指標(biāo)的丟包率，以及時(shí)效性指標(biāo)時(shí)延進(jìn)行了測(cè)量。在仿真結(jié)束后，編寫丟包率和時(shí)延的.awk提取文件，從仿真過后產(chǎn)生的.tr文件中，提取出丟包率和時(shí)延信息[12]。.tr文件的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 .tr文件的數(shù)據(jù)格式圖

圖2中，數(shù)據(jù)格式中每一部分的具體內(nèi)容為：Event分為3種情況s、r、D，分別對(duì)應(yīng)s發(fā)送，r接收，D丟包；Time為事件發(fā)生時(shí)間；Node為處理該事件的節(jié)點(diǎn)ID；Layer分為3種情況：RTR路由器Trace，AGT代理Trace，Mac層代理；Flags為分隔符；Pkt id為分組ID；Pkt type為分組類型；Pkt size為分組大??；------為分隔符；MAC Layer Info的數(shù)據(jù)如表3所列；IP Info的數(shù)據(jù)則如表4所列。

我們從模擬仿真的.tr文件里隨機(jī)抽取的一條記錄如圖3所示。

圖3 隨機(jī)抽取的.tr文件的一條記錄語句

對(duì)上述記錄格式進(jìn)行解釋如下：在6.828 477 300 s時(shí)，一個(gè)ID為7的節(jié)點(diǎn)MAC層接收了一個(gè)CBR分組，這個(gè)分組的UID為42959，長度為32 B，源地址為1：0，目標(biāo)地址為7：1，分組生存周期為30，源地址到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為2。

進(jìn)一步編寫“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分別用于從跟蹤文件.tr中統(tǒng)計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CBR包的丟包率和CBR包端到端傳輸?shù)臅r(shí)延信息。

圖4為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率統(tǒng)計(jì)。在仿真運(yùn)行的100 s內(nèi)，10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)共向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送24 573個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，sink節(jié)點(diǎn)共接收24 183個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，丟包率為0.015 871。

圖4 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在仿真過程的丟包率

圖5為發(fā)包速率為250 Kb/s時(shí)的CBR包端到端傳輸時(shí)延統(tǒng)計(jì)曲線。從仿真時(shí)延圖中可以看出，仿真剛開始時(shí)，由于WBAN的收發(fā)包機(jī)制剛剛建立起來，網(wǎng)絡(luò)整體性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致時(shí)延不穩(wěn)定，上下浮動(dòng)較大，等到網(wǎng)絡(luò)整體相對(duì)穩(wěn)定下來后，端到端包的傳輸時(shí)延趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值0.2 ms。

5 結(jié) 語

本文中，WBAN仿真系統(tǒng)采用了ZigBee無線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，在發(fā)包速率上限250 Kb/s時(shí)，丟包率在2%以下，時(shí)延不超過0.3 ms，這樣的丟包率和時(shí)延值對(duì)WBAN系統(tǒng)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的體征信息數(shù)據(jù)傳輸來說，是合理的，即它適用于無線體域網(wǎng)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。該方法和結(jié)論對(duì)無線體域網(wǎng)及類似無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇短距離通信協(xié)議具有積極的參考價(jià)值。

圖5 CBR數(shù)據(jù)包端到端傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延

仿真中設(shè)定的10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)所發(fā)CBR包的優(yōu)先級(jí)等同，而實(shí)際中，根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)應(yīng)是不同的。下一步將針對(duì)不同的CBR包設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)一步探討ZigBee技術(shù)在WBAN中的適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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首先，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性，仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測(cè)主要指標(biāo)的位置以及相對(duì)應(yīng)的比例，設(shè)定了十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（由手機(jī)來擔(dān)任）的坐標(biāo)，在仿真中以CBR（Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù)發(fā)生器來充當(dāng)人體傳感節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體的信息采集過程以及每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)只接收其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。

圖1 無線體域網(wǎng)體征信息檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)分布圖

本模型中所設(shè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的生理參數(shù)均為對(duì)人體的健康狀況非常重要的指標(biāo)，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實(shí)時(shí)采集心臟的跳動(dòng)情況，并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼，心臟的工作情況對(duì)于人體來說至關(guān)重要，有其對(duì)于有心臟病的群體來說重要性更加突顯；n3 EEG傳感器：能感受大腦皮質(zhì)電位波形并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)大腦皮層的活動(dòng)情況；n2，n9血壓傳感器：實(shí)時(shí)采集人的血壓情況，把采集來的血壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼，檢測(cè)血壓值的變化，最終防止血壓高或者血壓低帶來人體的危害；n7作為匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）在此相當(dāng)于移動(dòng)通信領(lǐng)域中的基站，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在人體及人體周圍2 m×2 m范圍內(nèi)構(gòu)建由11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線體域網(wǎng)，接著我們創(chuàng)建了10個(gè)UDP代理并把它們附加到10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，然后為UDP代理附加1個(gè)CBR業(yè)務(wù)發(fā)生器，該發(fā)生器可以在業(yè)務(wù)代理節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在n7匯聚節(jié)點(diǎn)上，10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制向n7發(fā)送CBR包，根據(jù)檢測(cè)的業(yè)務(wù)信息不同設(shè)定包的大小不同，表2所列是體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送CBR包的大小，其發(fā)送速率均為250 Kb/s，仿真運(yùn)行時(shí)間為100 s。

4 仿真分析

為了探究ZigBee協(xié)議對(duì)無線體域網(wǎng)絡(luò)的適用性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行了仿真，并對(duì)主要衡量可靠性指標(biāo)的丟包率，以及時(shí)效性指標(biāo)時(shí)延進(jìn)行了測(cè)量。在仿真結(jié)束后，編寫丟包率和時(shí)延的.awk提取文件，從仿真過后產(chǎn)生的.tr文件中，提取出丟包率和時(shí)延信息[12]。.tr文件的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 .tr文件的數(shù)據(jù)格式圖

圖2中，數(shù)據(jù)格式中每一部分的具體內(nèi)容為：Event分為3種情況s、r、D，分別對(duì)應(yīng)s發(fā)送，r接收，D丟包；Time為事件發(fā)生時(shí)間；Node為處理該事件的節(jié)點(diǎn)ID；Layer分為3種情況：RTR路由器Trace，AGT代理Trace，Mac層代理；Flags為分隔符；Pkt id為分組ID；Pkt type為分組類型；Pkt size為分組大小；------為分隔符；MAC Layer Info的數(shù)據(jù)如表3所列；IP Info的數(shù)據(jù)則如表4所列。

我們從模擬仿真的.tr文件里隨機(jī)抽取的一條記錄如圖3所示。

圖3 隨機(jī)抽取的.tr文件的一條記錄語句

對(duì)上述記錄格式進(jìn)行解釋如下：在6.828 477 300 s時(shí)，一個(gè)ID為7的節(jié)點(diǎn)MAC層接收了一個(gè)CBR分組，這個(gè)分組的UID為42959，長度為32 B，源地址為1：0，目標(biāo)地址為7：1，分組生存周期為30，源地址到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為2。

進(jìn)一步編寫“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分別用于從跟蹤文件.tr中統(tǒng)計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CBR包的丟包率和CBR包端到端傳輸?shù)臅r(shí)延信息。

圖4為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率統(tǒng)計(jì)。在仿真運(yùn)行的100 s內(nèi)，10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)共向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送24 573個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，sink節(jié)點(diǎn)共接收24 183個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，丟包率為0.015 871。

圖4 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在仿真過程的丟包率

圖5為發(fā)包速率為250 Kb/s時(shí)的CBR包端到端傳輸時(shí)延統(tǒng)計(jì)曲線。從仿真時(shí)延圖中可以看出，仿真剛開始時(shí)，由于WBAN的收發(fā)包機(jī)制剛剛建立起來，網(wǎng)絡(luò)整體性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致時(shí)延不穩(wěn)定，上下浮動(dòng)較大，等到網(wǎng)絡(luò)整體相對(duì)穩(wěn)定下來后，端到端包的傳輸時(shí)延趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值0.2 ms。

5 結(jié) 語

本文中，WBAN仿真系統(tǒng)采用了ZigBee無線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，在發(fā)包速率上限250 Kb/s時(shí)，丟包率在2%以下，時(shí)延不超過0.3 ms，這樣的丟包率和時(shí)延值對(duì)WBAN系統(tǒng)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的體征信息數(shù)據(jù)傳輸來說，是合理的，即它適用于無線體域網(wǎng)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。該方法和結(jié)論對(duì)無線體域網(wǎng)及類似無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇短距離通信協(xié)議具有積極的參考價(jià)值。

圖5 CBR數(shù)據(jù)包端到端傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延

仿真中設(shè)定的10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)所發(fā)CBR包的優(yōu)先級(jí)等同，而實(shí)際中，根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)應(yīng)是不同的。下一步將針對(duì)不同的CBR包設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)一步探討ZigBee技術(shù)在WBAN中的適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] YANG Guang-zhong. Body sensor networks [M]. London： Springer Verlag， 2006.

[2]宮繼兵，王睿，崔莉.體域網(wǎng)BSN的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與研究，2010，47（5）：737-753.

[3] LATRE Benoit， BRAEM Bart， MOERMAN Ingrid， et al. A survey on wireless body area networks [J]， Wireless Networks， 2011 （l7）： 1-18.

[4] LI Huan-bang， KOHNO Ryuji. Body area network and its standardization at IEEE 802.15. BAN [J]. Advances in Mobile and Wireless Communications， 2008 （16）： 223-238.

[5]高守瑋.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[6] IEEE. Std 802.15.4-2003：wireless medium access control （MAC） and physical layer （PHY） pecifications for low-rate wireless personal area networks （LR-WPANs） [S]. USA： IEEE， 2003.

[7]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005..

[8] ULLAH Sana， HIGGINS Henry， KWAK Kyung Sup， et al. A comprehensive survey of wireless body area networks on PHY， MAC， and network layers solutions [J]. Journal of Medical Systems， 2012， 36（3）： 1065-1094.

[9] CHEN Min， GONZALEZ Sergio， VASILAKOS Athanasios， et al. Body area networks： a survey [J]. Mobile Networks and Applications， 2011 （16）： 171-193.

[10]臧婉瑜，于勐，謝立，等.按需式ad hoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào).2002，25（10）：1009-1017.

[11]羅超.基于NS2的AODV的研究與改進(jìn)[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[12]夏樂音，王秋光.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的NS2實(shí)現(xiàn)[DB/OL].[2008-12-08].中國科技論文在線：http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200812-200.

首先，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性，仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測(cè)主要指標(biāo)的位置以及相對(duì)應(yīng)的比例，設(shè)定了十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（由手機(jī)來擔(dān)任）的坐標(biāo)，在仿真中以CBR（Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù)發(fā)生器來充當(dāng)人體傳感節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體的信息采集過程以及每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)只接收其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。

圖1 無線體域網(wǎng)體征信息檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)分布圖

本模型中所設(shè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的生理參數(shù)均為對(duì)人體的健康狀況非常重要的指標(biāo)，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實(shí)時(shí)采集心臟的跳動(dòng)情況，并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼，心臟的工作情況對(duì)于人體來說至關(guān)重要，有其對(duì)于有心臟病的群體來說重要性更加突顯；n3 EEG傳感器：能感受大腦皮質(zhì)電位波形并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)大腦皮層的活動(dòng)情況；n2，n9血壓傳感器：實(shí)時(shí)采集人的血壓情況，把采集來的血壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼，檢測(cè)血壓值的變化，最終防止血壓高或者血壓低帶來人體的危害；n7作為匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）在此相當(dāng)于移動(dòng)通信領(lǐng)域中的基站，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在人體及人體周圍2 m×2 m范圍內(nèi)構(gòu)建由11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線體域網(wǎng)，接著我們創(chuàng)建了10個(gè)UDP代理并把它們附加到10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，然后為UDP代理附加1個(gè)CBR業(yè)務(wù)發(fā)生器，該發(fā)生器可以在業(yè)務(wù)代理節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在n7匯聚節(jié)點(diǎn)上，10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制向n7發(fā)送CBR包，根據(jù)檢測(cè)的業(yè)務(wù)信息不同設(shè)定包的大小不同，表2所列是體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送CBR包的大小，其發(fā)送速率均為250 Kb/s，仿真運(yùn)行時(shí)間為100 s。

4 仿真分析

為了探究ZigBee協(xié)議對(duì)無線體域網(wǎng)絡(luò)的適用性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行了仿真，并對(duì)主要衡量可靠性指標(biāo)的丟包率，以及時(shí)效性指標(biāo)時(shí)延進(jìn)行了測(cè)量。在仿真結(jié)束后，編寫丟包率和時(shí)延的.awk提取文件，從仿真過后產(chǎn)生的.tr文件中，提取出丟包率和時(shí)延信息[12]。.tr文件的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 .tr文件的數(shù)據(jù)格式圖

圖2中，數(shù)據(jù)格式中每一部分的具體內(nèi)容為：Event分為3種情況s、r、D，分別對(duì)應(yīng)s發(fā)送，r接收，D丟包；Time為事件發(fā)生時(shí)間；Node為處理該事件的節(jié)點(diǎn)ID；Layer分為3種情況：RTR路由器Trace，AGT代理Trace，Mac層代理；Flags為分隔符；Pkt id為分組ID；Pkt type為分組類型；Pkt size為分組大小；------為分隔符；MAC Layer Info的數(shù)據(jù)如表3所列；IP Info的數(shù)據(jù)則如表4所列。

我們從模擬仿真的.tr文件里隨機(jī)抽取的一條記錄如圖3所示。

圖3 隨機(jī)抽取的.tr文件的一條記錄語句

對(duì)上述記錄格式進(jìn)行解釋如下：在6.828 477 300 s時(shí)，一個(gè)ID為7的節(jié)點(diǎn)MAC層接收了一個(gè)CBR分組，這個(gè)分組的UID為42959，長度為32 B，源地址為1：0，目標(biāo)地址為7：1，分組生存周期為30，源地址到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為2。

進(jìn)一步編寫“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分別用于從跟蹤文件.tr中統(tǒng)計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CBR包的丟包率和CBR包端到端傳輸?shù)臅r(shí)延信息。

圖4為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率統(tǒng)計(jì)。在仿真運(yùn)行的100 s內(nèi)，10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)共向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送24 573個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，sink節(jié)點(diǎn)共接收24 183個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，丟包率為0.015 871。

圖4 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在仿真過程的丟包率

圖5為發(fā)包速率為250 Kb/s時(shí)的CBR包端到端傳輸時(shí)延統(tǒng)計(jì)曲線。從仿真時(shí)延圖中可以看出，仿真剛開始時(shí)，由于WBAN的收發(fā)包機(jī)制剛剛建立起來，網(wǎng)絡(luò)整體性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致時(shí)延不穩(wěn)定，上下浮動(dòng)較大，等到網(wǎng)絡(luò)整體相對(duì)穩(wěn)定下來后，端到端包的傳輸時(shí)延趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值0.2 ms。

5 結(jié) 語

本文中，WBAN仿真系統(tǒng)采用了ZigBee無線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，在發(fā)包速率上限250 Kb/s時(shí)，丟包率在2%以下，時(shí)延不超過0.3 ms，這樣的丟包率和時(shí)延值對(duì)WBAN系統(tǒng)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的體征信息數(shù)據(jù)傳輸來說，是合理的，即它適用于無線體域網(wǎng)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。該方法和結(jié)論對(duì)無線體域網(wǎng)及類似無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇短距離通信協(xié)議具有積極的參考價(jià)值。

圖5 CBR數(shù)據(jù)包端到端傳輸?shù)钠骄鶗r(shí)延

仿真中設(shè)定的10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)所發(fā)CBR包的優(yōu)先級(jí)等同，而實(shí)際中，根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)應(yīng)是不同的。下一步將針對(duì)不同的CBR包設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)一步探討ZigBee技術(shù)在WBAN中的適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] YANG Guang-zhong. Body sensor networks [M]. London： Springer Verlag， 2006.

[2]宮繼兵，王睿，崔莉.體域網(wǎng)BSN的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與研究，2010，47（5）：737-753.

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[4] LI Huan-bang， KOHNO Ryuji. Body area network and its standardization at IEEE 802.15. BAN [J]. Advances in Mobile and Wireless Communications， 2008 （16）： 223-238.

[5]高守瑋.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[6] IEEE. Std 802.15.4-2003：wireless medium access control （MAC） and physical layer （PHY） pecifications for low-rate wireless personal area networks （LR-WPANs） [S]. USA： IEEE， 2003.

[7]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005..

[8] ULLAH Sana， HIGGINS Henry， KWAK Kyung Sup， et al. A comprehensive survey of wireless body area networks on PHY， MAC， and network layers solutions [J]. Journal of Medical Systems， 2012， 36（3）： 1065-1094.

[9] CHEN Min， GONZALEZ Sergio， VASILAKOS Athanasios， et al. Body area networks： a survey [J]. Mobile Networks and Applications， 2011 （16）： 171-193.

[10]臧婉瑜，于勐，謝立，等.按需式ad hoc移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào).2002，25（10）：1009-1017.

[11]羅超.基于NS2的AODV的研究與改進(jìn)[D]，武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

[12]夏樂音，王秋光.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的NS2實(shí)現(xiàn)[DB/OL].[2008-12-08].中國科技論文在線：http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200812-200.