一種高吞吐量的WBAN多跳協(xié)議*

吳憲君

(廣東石油化工學院 實驗教學部，廣東 茂名 525000)

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一種高吞吐量的WBAN多跳協(xié)議*

吳憲君

(廣東石油化工學院 實驗教學部，廣東 茂名 525000)

為提高無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network,WBAN)能量效率和實現(xiàn)高吞吐量，提出一種多跳拓撲結構來節(jié)約能耗，延長網(wǎng)絡壽命。通過設定代價函數(shù)選出前驅節(jié)點，使得被選用節(jié)點具有較多的剩余能量和較小傳輸間距。代價函數(shù)的剩余能量參數(shù)用于平衡傳感節(jié)點的能量損耗，距離參數(shù)確保包交付成功率。仿真結果表明，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；代價函數(shù)；能量距離參數(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(WSNs)漸漸應用到各種領域[1]，無線體域網(wǎng)(WBAN)是WSNs新興的子領域。WBAN主要應用于人體健康的監(jiān)測。WBAN的傳感器節(jié)點由于受到節(jié)點體積設計的限制，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具有不同的體系結構、應用和使用于不同的操作條件，因此應用于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，并在相對穩(wěn)定姿態(tài)的腰部位置固定匯聚節(jié)點。在靠近匯聚節(jié)點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)點或前驅節(jié)點傳輸數(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)的關鍵臨界點以及要求具有最小測量衰減誤差，因此WBAN可相應獲得高可靠性和長壽命，并且節(jié)省節(jié)點和網(wǎng)絡的能量消耗。

1　相關研究

在WBAN已經(jīng)存在大量的路由方案。文獻[4]提出了一個熱度的路由協(xié)議，每個節(jié)點都選擇最小跳數(shù)搜尋匯聚節(jié)點，當一個父節(jié)點被選熱度增加，子節(jié)點選擇另一個優(yōu)化路線。文獻[5]分析能耗和速率與距離的關系，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，通過時延約束的包調度算法優(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)點分配的地址信息，以分散的方式來為網(wǎng)絡創(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)點的能效[6]。

2　無線模型

許多文獻提出相關廣播模型。為盡量減少能量消耗和提高吞吐量，使用了文獻[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)點提供寬松約束機會。在保持路由約束條件不變前提下，提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性時間和吞吐量。以下介紹系統(tǒng)模型與協(xié)議的細節(jié)。

2.1系統(tǒng)模型

圖1sink和sensor節(jié)點

在這個方案中，在人體上部署傳感節(jié)點，假設所有傳感器節(jié)點有相等的能量和計算功能。匯聚節(jié)點放置在腰部，附近傳感節(jié)點可直接向匯聚節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。在初始化階段，匯聚節(jié)點廣播一個包含節(jié)點在人體位置的短信息包。每個傳感器節(jié)點接到這種控制包后存儲匯聚節(jié)點的位置。然后，每個傳感節(jié)點廣播一個包含節(jié)點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)絡中的所有傳感節(jié)點都更新與鄰居和匯聚節(jié)點的位置。選擇下一跳階段，使用一種基于多跳的WBAN方案，通過在標準節(jié)點被選擇成為父節(jié)點或前驅節(jié)點設置條件，分配一個基于時分多址(TDMA)的時段到子節(jié)點用于傳輸數(shù)據(jù)，使得傳感節(jié)點能量消耗平衡、減少網(wǎng)絡中能量的消耗。圖1為傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點在人體的位置分布。

2.2網(wǎng)絡模型

通過已知的匯聚節(jié)點ID、距離和剩余節(jié)點的能量，協(xié)議可以計算所有節(jié)點代價函數(shù)和傳輸代價函數(shù)選出每輪新的前驅節(jié)點。假設i是節(jié)點數(shù)，則第i個節(jié)點的代價函數(shù)為：

(4)

式中：d(i)是第i個傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點之間的距離；R.E(i)是節(jié)點i的剩余能量，通過最初的總能量減去當前節(jié)點的能量計算得出。

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

3　仿真結果和分析

為評估本文提出協(xié)議的效率，通過MATLAB R2009a進行多組數(shù)實驗。在實驗中設為Simple與現(xiàn)有的協(xié)議ATTEMPT對比性能。在網(wǎng)絡中設定包括Sink在內的20個傳感節(jié)點，并假定：(1)網(wǎng)絡拓撲結構固定；(2)節(jié)點同構且節(jié)點有唯一ID；(3)節(jié)點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，它需要一個在匯聚節(jié)點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)點個數(shù)。更多活著的節(jié)點發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包從而增加網(wǎng)絡的吞吐量。協(xié)議ATTEMPT的穩(wěn)定性時期短于協(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)定時期從而實現(xiàn)高吞吐量。

3.2剩余能量

文章提出的模型使用多跳拓撲，每個最遠端節(jié)點通過前驅節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。在每一輪選擇適當?shù)那膀尮?jié)點有助于節(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撲前驅節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包到匯聚節(jié)點，來限制特定的節(jié)點過載。仿真結果表明，協(xié)議Simple最低能量消耗僅模擬時間的70%。這意味著，在穩(wěn)定時期，更多的節(jié)點擁有了足夠的能量來傳輸更多的數(shù)據(jù)包，并且網(wǎng)絡的吞吐量也提高了。另外，一些節(jié)點由于過重的負載而被過早的消耗掉。

4　結論

本文提出一個WBAN的數(shù)據(jù)路由方案。該方案使用代價函數(shù)來選擇適當?shù)穆酚赏緩?，并計算?jié)點的剩余能量和距離。節(jié)點以代價函數(shù)的更小值選定為父節(jié)點，其他節(jié)點成為父節(jié)點的子節(jié)點并且將數(shù)據(jù)轉發(fā)給父節(jié)點。需要傳輸?shù)姆浅Ｖ匾t(yī)療數(shù)據(jù)的節(jié)點數(shù)據(jù)將另外使用直接的方法發(fā)送給匯聚節(jié)點，它們傳輸數(shù)據(jù)不消耗能量轉發(fā)。仿真結果表明，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,2013.

[2] 葉奇明.無線充電技術在無線傳感器網(wǎng)絡中的應用現(xiàn)狀[J].廣東石油化工學院學報，2015(2):45.

[3] 劉漢春，劉靜，徐友云，等.基于臨時節(jié)點的無線體域網(wǎng)高效節(jié)能路由算法[J].信息技術，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：中國科學技術大學，2014.

[6] 盧先領，彭能明，陸勝男，等.無線體域網(wǎng)節(jié)能策略綜述[J].計算機應用研究，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，主要研究方向為傳感器網(wǎng)絡、圖像處理。

TN92

A

2095-2562(2016)04-0041-03