一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議

譚勁，張玉娟

（中國計量大學信息分院，浙江 杭州 310018）

一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議

譚勁，張玉娟

（中國計量大學信息分院，浙江 杭州 310018）

在動態(tài)網(wǎng)絡拓撲中，AODV協(xié)議通過數(shù)據(jù)源節(jié)點S泛洪廣播RREQ消息請求到任意目標節(jié)點D的路由，而在無線體域網(wǎng)絡中，只有一個sink目標節(jié)點，除最短跳數(shù)路由上的節(jié)點外，其他參與RREQ接收和轉發(fā)的節(jié)點浪費了能量。提出了一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議，通過在節(jié)點廣播的hello消息中增加到sink的最小跳數(shù)hops、到sink的下一跳節(jié)點next和節(jié)點本身是否具備轉發(fā)能力isforward 3個參數(shù)，只選擇能到達sink節(jié)點的鄰居節(jié)點參與轉發(fā)RREQ消息，變廣播為多播，有效地降低了路由發(fā)現(xiàn)的能量開銷，并通過能量平衡延長了WBAN的使用壽命。性能分析與模擬實驗表明，該協(xié)議在RREQ數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸率和能量消耗等方面優(yōu)于相似協(xié)議EAAODV。

無線體域網(wǎng)；AODV協(xié)議；路由發(fā)現(xiàn)；hello消息

1 引言

無線體域網(wǎng)（wireless body area network，WBAN）是位于人體內或外的傳感節(jié)點的集合，用于監(jiān)視人體周圍環(huán)境和身體本身的功能［1］?？紤]到人體感受的舒適性和移動的方便性，WBAN中的傳感節(jié)點在重量和體積上比通用無線傳感網(wǎng)絡（wireless sensor network，WSN）要求更加嚴格且數(shù)據(jù)傳輸能量更加有效。由于人體移動、不同姿勢、皮膚等對無線信號傳播的影響，WBAN中的路徑丟失率高于通用WSN。 基 于 距 離 數(shù) 組 的 按 需 路 由［2］（Ad Hoc on-demand distance vector routing，AODV）協(xié)議比較適用于這種結構多變且需要最短路徑（及時和能量有效）傳輸?shù)腤BAN，綜合性能優(yōu)于 OLSR（optimized link state routing）、DSR（dynamic source routing）協(xié) 議［3，4］，而 WBAN 較 小 的 節(jié) 點 規(guī) 模 又 彌 補了AODV路由形成帶來的時延不足［5］。但由于其基于“最小跳數(shù)”作為路由的特點，會使網(wǎng)絡的中間節(jié)點過度轉發(fā)數(shù)據(jù)而導致能量消耗過快和形成擁塞，從而影響網(wǎng)絡的端對端時延以及網(wǎng)絡吞吐量。因此，在WBAN中，許多研究［6-1 1］使用改進的AODV協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，以滿足時延、能量有效或優(yōu)先級等性能指標。

AODV協(xié)議為了在動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲中找到任意兩個移動節(jié)點間的一條數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點S采用泛洪廣播路由請求消息RREQ請求到目標節(jié)點D的路由。D確定一條最短跳數(shù)的路由，然后沿這條路由反向將響應消息RREP單播傳送給S。為了維護路由的有效性，網(wǎng)絡中每個節(jié)點通過周期性地廣播hello消息 （含有該節(jié)點的ID），告訴鄰居節(jié)點有關它處于active狀態(tài)的信息。鄰居節(jié)點收到hello消息后，就更新本地路由表中鄰居節(jié)點的生命周期，從而保證已有路徑繼續(xù)可用［2］，這種周期性hello消息交換，又叫鄰居發(fā)現(xiàn)或beacon［12］。盡管它帶來了一些開銷，但減少了路由發(fā)現(xiàn)時延，增加了確定兩節(jié)點間路徑的有效性，是多跳無線網(wǎng)絡通信中必不可少且最重要的一步［13］。參考文獻［14］也證實了大多數(shù) AODV協(xié)議的實現(xiàn)采用了缺省的基于連接失敗偵測機制的hello消息來維持局部連接。當AODV協(xié)議用于WBAN時，結合WBAN本身的屬性，可以進一步提高AODV協(xié)議性能：

·WBAN中只有一個固定的sink目標節(jié)點，接收其他所有節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，采用泛洪的方式請求任意兩節(jié)點間的路由是沒有必要的；

·WBAN中有些節(jié)點不能作為轉發(fā)節(jié)點，如吞服節(jié)點、植入皮下節(jié)點及人體表面節(jié)點等，受其體積限制，其電池、存儲器及運行的程序等在設計上就沒考慮轉發(fā)功能，稱這類節(jié)點為邊界節(jié)點；

·盡管sink節(jié)點在一定時間范圍內可以收到多條RREQ，但只使用最短跳數(shù)的路由來傳輸數(shù)據(jù)，除最短跳數(shù)路由上的節(jié)點外，其他參與RREQ接收和轉發(fā)的節(jié)點只起了“參考比較”的作用，浪費了能量，如果把這種“參考比較”放在維持連接過程中來完成，可降低能耗；

·鄰居發(fā)現(xiàn)是多跳無線網(wǎng)絡通信中必不可少的一步，由于WBAN是以sink節(jié)點為中心的，如果節(jié)點在廣播的hello消息中含有自己到sink節(jié)點的最小跳數(shù) （sink發(fā)出時其值為0），就為從數(shù)據(jù)源節(jié)點到sink節(jié)點的多播或單播路由發(fā)現(xiàn)帶來可能；

·如果長時間使用同一最短路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，勢必造成最短路徑上的轉發(fā)節(jié)點能量消耗過快，當轉發(fā)節(jié)點能量消耗到一定程度時，應停止代替其他節(jié)點轉發(fā)（自己正常工作），以延長整個WBAN壽命。

本文提出了一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡AODV多播路由發(fā)現(xiàn)（multicast route discovery AODV，MRDAODV）協(xié)議，通過修改hello消息（含有節(jié)點ID、到sink節(jié)點的跳數(shù)hops、到sink的下一跳節(jié)點next及是否具備轉發(fā)功能isforward），以sink為中心，周期性地逐級廣播hello消息，數(shù)據(jù)源節(jié)點只向能達到sink節(jié)點的鄰居多播發(fā)送路由請求RREQ，變廣播為多播，同時考慮節(jié)點能量平衡，中間轉發(fā)節(jié)點根據(jù)自身能量消耗確定是否擔任轉發(fā)節(jié)點，延長了WBAN的使用壽命。性能分析與模擬實驗表明：該協(xié)議在RREQ數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸速率和能量消耗等方面優(yōu)于相似協(xié)議EAAODV（energy aware AODV）。

2 相關工作

［6］提出了一種基于能量感知（energy aware）的EAAODV協(xié)議，該協(xié)議通過選擇有效的鄰居節(jié)點（實際減少鄰居數(shù)量）降低泛洪RREQ的開銷。如果數(shù)據(jù)源節(jié)點和中間節(jié)點的某鄰居節(jié)點的移動速度大于某閾值（文中設定為5 m／h）或剩余能量小于某閾值，就將其從鄰居節(jié)點表中移除（不參與轉發(fā)RREQ）。每個中間節(jié)點在轉發(fā)RREQ時，將自己的剩余能量附加在RREQ上，目標節(jié)點在收到RREQ后，將所有中間節(jié)點的剩余能量復制到RREP消息中，單播傳回到數(shù)據(jù)源節(jié)點，數(shù)據(jù)源節(jié)點和沿途中間節(jié)點通過RREP消息就獲取到其鄰居節(jié)點的剩余能量。不足之處是節(jié)點剩余能量附加到RREQ上，逐級增加了RREQ和RREP 消息的長度。Manfredi［7］針對醫(yī)療保健監(jiān)視系統(tǒng)，提出了一種基于協(xié)作的C-AODV（cooperative AODV）路由協(xié)議，該協(xié)議保留源節(jié)點與目標節(jié)點間的多條路由信息，選擇參數(shù)為下級節(jié)點的隊列（queue）長度，即選擇隊列長度較小的路由來防止擁塞，但獲取下級節(jié)點的隊列長度參數(shù)需要額外的開銷。參考文獻［8］針對醫(yī)療無線傳感網(wǎng)絡，提出了一種具有醫(yī)療能量有效 （medical energy efficient，M-EE）的AODV路由協(xié)議，該協(xié)議根據(jù)傳感節(jié)點感知的數(shù)據(jù)類型，給圖像、視頻類節(jié)點賦予更多的電池能量，然后根據(jù)節(jié)點間的距離、感知數(shù)據(jù)的優(yōu)先級和數(shù)據(jù)類型計算能量消耗。如果這種消耗低于規(guī)定閾值，就讓該節(jié)點參與AODV路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸，但獲取節(jié)點間的距離帶來了比較大的開銷。由于傳統(tǒng)AODV協(xié)議采用FIFO（first in first out）隊列機制，不支持優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸，Ambigavathi等［9］通過在WBAN中每個節(jié)點維持兩個優(yōu)先級隊列表，一個負責on-demand數(shù)據(jù)，另一個負責臨界和緊急數(shù)據(jù)，提出了一種基于AODV的優(yōu)先級數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，改善了WBAN的端到端時延和節(jié)點吞吐率等指標。參考文獻［10］針對WBAN中數(shù)據(jù)安全和可靠性數(shù)據(jù)傳輸，提出了一種relAODV（reliable AODV）協(xié)議，該協(xié)議將 WBAN中的節(jié)點分為兩類：直接節(jié)點（能與sink節(jié)點單跳通信）和轉發(fā)節(jié)點，只有轉發(fā)節(jié)點才轉發(fā)RREQ消息，直接節(jié)點扮演sink節(jié)點發(fā)送RREP消息，減少了路由發(fā)現(xiàn)的開銷，并在數(shù)據(jù)分組中加入源節(jié)點簽名增強數(shù)據(jù)的安全性。DRCA（dynamic route change algorithm）［11］修 改 了 AODV協(xié)議的hello消息格式，使得在動態(tài)變化的網(wǎng)絡結構中S到D的路由跳數(shù)最短，提高了分組傳輸率，減少了端到端的時延。

本文研究與EAAODV協(xié)議［6］有類似之處，都是通過減少轉發(fā)RREQ和節(jié)點能量平衡，變廣播為多播來提高WBAN的性能，但研究的切入點不同，主要區(qū)別有以下幾點。

·EAAODV通過修改原AODV消息本身和多播RREQ的條件，MRDAODV只修改了多播RREQ的條件和hello消息格式，沒有修改修改原AODV消息本身；

·EAAODV通過RREQ、RREP消息來傳遞節(jié)點的剩

余能量，由其相鄰節(jié)點確定其是否具備轉發(fā)能力，MRDAODV節(jié)點自己確定是否具備轉發(fā)能力，與其他節(jié)點無關；

·EAAODV通過檢測節(jié)點的剩余能量和移動速度來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡結構的變化，MRDAODV通過hello消息維持連接，更能準確及時地反映出網(wǎng)絡結構的變化；

·路由的維護兩個協(xié)議都依靠hello消息，EAAODV在路由形成后發(fā)現(xiàn)拓撲結構變化而返回RERR消息，而MRDAODV是在路由形成過程中返回RERR消息。

3 系統(tǒng)模型

本研究的系統(tǒng)模型與參考文獻［5］類似，如圖1所示，描述如下。

圖1 WBAN結構

（1）有 N-1 個傳感節(jié)點{S2，S3，…，SN}部署在被監(jiān)護者身上或體內，每個節(jié)點有唯一ID（大于1，為描述簡單，該值與序號相同），節(jié)點互不相關。

（2）有 1個網(wǎng)關或 sink節(jié)點，其 ID=1（在 ID=1第 4.2節(jié)鄰居節(jié)點表中使用，表示無法到達sink節(jié)點），收集所有傳感節(jié)點感知的數(shù)據(jù)，并負責與外界（PDA或PC）通信。

（3）傳感節(jié)點采用甚低功率的短距離傳輸，以一跳或多跳的方式向sink節(jié)點傳送感知的數(shù)據(jù)。

（4）傳感節(jié) 點{S2，S3，…，SN}分為 兩類 ：一類是具 有 感 知和轉發(fā)功能的轉發(fā)節(jié)點，另一類是只感知自己數(shù)據(jù)的邊界節(jié)點。轉發(fā)節(jié)點能根據(jù)自己剩余能量確定自己是否轉發(fā)其他節(jié)點數(shù)據(jù)。

（5）不要求節(jié)點之間時間同步，但假定各節(jié)點時間相對同步。

4 協(xié)議描述

4.1 hello消息

本研究的hello消息由節(jié)點ID、到sink節(jié)點的跳數(shù)hops（取值 0～N）、到 sink 的下一跳節(jié)點 next（節(jié)點 ID，從該節(jié)點到sink節(jié)點方向）及是否轉發(fā)消息isforward（邏輯值：0不轉發(fā)，1轉發(fā)）組成，不管節(jié)點怎么分布，網(wǎng)絡中兩節(jié)點間的最大跳數(shù)小于N。因此，任意節(jié)點到sink節(jié)點的跳數(shù)hops=N時表示無法通過該節(jié)點到達sink節(jié)點。在圖1中，sink 節(jié)點發(fā)出的 hello消息內容為（1，0，1，1），對任意中間轉發(fā)節(jié)點，收到其鄰居節(jié)點廣播的hello消息后，先將其加入鄰居節(jié)點表中（見第4.2節(jié)），然后查找鄰居節(jié)點表中未過期的最小hops值，如果查找到有數(shù)據(jù)項的hops＜N（說明該鄰居節(jié)點能夠到達sink節(jié)點），就將該值加1；否則hops=N。最后將加1或等于N的hops值作為自己到sink節(jié)點的跳數(shù)，next用最小hops值的鄰居節(jié)點ID代替，并計算自己的能量消耗，確定自己是否具有轉發(fā)能力，形成自己的hello消息。對于圖1中的節(jié)點7，會收到來自鄰居節(jié)點1、6、8、16、19 發(fā)出的 hello 消息，但只有 sink 節(jié)點發(fā)出的hello消息hops值最小（0），因此轉發(fā)節(jié)點7發(fā)出的hello消息中：ID=7，hops=1，next=1，isforward=1，即（7，1，1，1）。當轉發(fā)節(jié)點7的鄰居表中未有到sink節(jié)點的有效 （hops＜N）路由時，其發(fā)出的 hello 消息為：ID=7，hops=N，next=0（表示目前無法達到sink節(jié)點），isforward=1（盡管是轉發(fā)節(jié)點，但不能轉發(fā)），即（7，N，0，0）。對于所有邊界節(jié)點，收到其鄰居節(jié)點廣播的hello消息后，只將其加入鄰居節(jié)點表中，自己發(fā)出的 hello 消息中的 hops（N）、isforward（0）是固定的，如邊界節(jié)點6發(fā)出的hello消息內容為 （6，N，1，0）或（6，N，0，0）。

4.2 鄰居節(jié)點表與本地路由表

在本文的研究中，每個節(jié)點內保存一張鄰居節(jié)點表和一張本地路由表。鄰居節(jié)點表就是該節(jié)點收到所有鄰居節(jié)點發(fā)出的hello消息加上收到消息的時間 （接收節(jié)點自己的時鐘，作為有效判斷依據(jù)），表1列出了節(jié)點7的鄰居節(jié)點的內容。

表1 節(jié)點7鄰居節(jié)點

原AODV的本地路由表的表項主要有目標節(jié)點ID和下一跳節(jié)點的ID組成，在節(jié)點收到RREP時形成該數(shù)據(jù)項［2］?？紤]到任意兩節(jié)點通信，該表可能有多項。在WBAN中，由于sink節(jié)點是所有數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的目標節(jié)點，目標節(jié)點ID省略，但增加一項到sink節(jié)點的跳數(shù)hops。因此，修改后的路由表由到sink節(jié)點的鄰居節(jié)點ID（來自RREP）和到sink的跳數(shù)hops（來自鄰居節(jié)點表）組成，只有一條記錄。

當數(shù)據(jù)源節(jié)點S需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果S沒有到sink節(jié)點的路由（本地路由表中無記錄）或當前鄰居節(jié)點表到sink節(jié)點的跳數(shù)hops小于本地路由表已有路由的hops時，數(shù)據(jù)源節(jié)點根據(jù)滿足條件sendorforward（如圖2所示）的鄰居節(jié)點多播發(fā)出RREQ請求，否則繼續(xù)使用原路由，這樣當WBAN拓撲結構變化時，數(shù)據(jù)源節(jié)點能以最短路徑將數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點（盡管原路由可能繼續(xù)有效）。某節(jié)點的鄰居節(jié)點表中可能會出現(xiàn)多個next值相同且hops值不同的情況，這說明next節(jié)點充當了多條路徑的關鍵節(jié)點。該節(jié)點發(fā)出RREQ請求時，只選具有最小hops值的next節(jié)點發(fā)送，排除其他hops值的相同next節(jié)點，有效地減少了參與轉發(fā)RREQ請求的節(jié)點數(shù)，變廣播為多播。如果出現(xiàn)多個next節(jié)點且hops值也相同的情況，從表1中選擇接收時間最新的節(jié)點轉發(fā)。

圖2 sendorforward條件

isforward 的值根據(jù)式（1）中節(jié)點剩余能量 Eres，i大于某閾值而確定為 1 或 0，式（1）、式（2）中的 Einit，i和 Econ，i、Nti和Nri及Eti和Eri分別為節(jié)點i的初始化能量和消耗能量、發(fā)送與接收的字節(jié)數(shù)及發(fā)送和接收一個字節(jié)消耗的能量。

4.3 協(xié)議算法

本協(xié)議算法分為兩部分：維持連接的hello協(xié)議和網(wǎng)絡層的MRDAODV協(xié)議。

（1）hello協(xié)議

步驟1 sink節(jié)點、轉發(fā)節(jié)點、邊界節(jié)點以周期τ（廣播hello消息周期）對鄰居表中的節(jié)點進行有效性檢查，如果τ+接收時間小于節(jié)點自己的當前時間，說明鄰居節(jié)點有效，否則說明鄰居節(jié)點過期而移除該節(jié)點。如果該節(jié)點在本地路由表中，同時移除路由表中的項。

步驟 2 形成自己的 hello消息（ID，hops，next，isforward）并廣播，其值見第4.1節(jié)。

步驟3 接收鄰居節(jié)點的hello消息，插入或更新鄰居節(jié)點表。

（2）MRDAODV 協(xié)議

協(xié)議中用到的發(fā)出或轉發(fā)RREQ的條件sendorforward如圖2所示，具體步驟如下。

步驟1 當數(shù)據(jù)源節(jié)點S有數(shù)據(jù)發(fā)送時，先根據(jù)條件sendorforward檢查是否有滿足要求的鄰居節(jié)點，如果沒有就等待，否則進入步驟2。

步驟2 如果節(jié)點S的鄰居表中有到sink節(jié)點的hops=1或鄰居節(jié)點的next=1時，直接向sink節(jié)點（ID=1）或鄰居節(jié)點單播RREQ。

步驟3 節(jié)點S檢查本地路由表是否有到sink節(jié)點的表項（上次使用過的路由），如果沒有就直接向滿足條件sendorforward的鄰居節(jié)點多播RREQ消息，否則，比較鄰居節(jié)點的最小hops是否大于或等于路由表中的hops。如果是，繼續(xù)使用原路由，否則說明由于拓撲結構變化，節(jié)點S離sink節(jié)點更近，重新發(fā)出RREQ消息。

步驟4 中間節(jié)點M收到RREQ后，檢查自己的鄰居節(jié)點表是否有滿足sendorforward的數(shù)據(jù)項，如果沒有，返回RRER消息，表示沒有到sink節(jié)點的路由；否則，按步驟2、步驟3的方式轉發(fā)RREQ。

步驟5 sink節(jié)點在一定時間內收到一條或多條來自S的RREQ，選擇最短跳數(shù)路由后，反向將響應消息RREP單播傳送給源節(jié)點S。

步驟6 中間節(jié)點M收到RREP，將鄰居節(jié)點ID和該ID對應的hops加入本地路由表。

步驟7 源節(jié)點S收到RREP，按步驟6建立本地路由表，開始向sink節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。

步驟8 如果源節(jié)點S在一定時間內收不到RREP（可能收到RREQ消息），說明由于結構變化，沒有到sink節(jié)點的路由，轉步驟1。

5 性能分析與實驗對比

5.1 性能分析

廣播hello消息頻率越高，節(jié)點消耗的能量越大，參考文獻［14，15］分析實驗表明：當節(jié)點廣播 hello消息的周期超過1 s時，本身消耗的能量是很小的。本文綜合考慮到WBAN中各類節(jié)點感知數(shù)據(jù)的頻率，設置廣播hello消息的周期為2 500 ms，不考慮hello消息本身消耗的能量。

WBAN中的節(jié)點移動是隨人體姿勢而移動的，盡管節(jié)點位置發(fā)生變化帶來了網(wǎng)絡拓撲結構的變化，但原有AODV路徑可能繼續(xù)有效（在有效傳輸距離內）。例如，在圖3的3種姿勢伸直手臂、立正和抱胸中，節(jié)點15到sink節(jié)點的路由 15→16→7→1可能一直有效，MRDAODV協(xié)議能根據(jù)這種變化，減少參與轉發(fā)RREQ的節(jié)點數(shù)，找到最短路徑傳輸數(shù)據(jù)從而節(jié)省能量。下面以節(jié)點15作為數(shù)據(jù)源節(jié)點，對3種情況的路由發(fā)現(xiàn)加以分析說明。

（1）伸直手臂

如圖3（a）所示，源節(jié)點 15單播 RREQ給節(jié)點 16，節(jié)點16（其鄰居節(jié)點6、節(jié)點19為邊界節(jié)點）單播RREQ給節(jié)點7；節(jié)點7有兩個具有轉發(fā)能力的鄰居節(jié)點8和節(jié)點1，但sink節(jié)點就在節(jié)點7的鄰居節(jié)點表中，選最短路徑，節(jié)點7直接單播RREQ給節(jié)點1，形成的路由為15→16→7→1。

（2）立正

如圖 3（b）所示，源節(jié)點 15 有 16、5、4、3 共 4 個鄰居節(jié)點，其鄰居節(jié)點表見表2。4個鄰居節(jié)點可以通過節(jié)點2或節(jié)點3到達sink節(jié)點，但節(jié)點5的next=1，排除其他節(jié)點，向節(jié)點5單播RREQ，形成的路由為15→5→1。

表2 節(jié)點15立正姿勢下鄰居節(jié)點

圖3 3種姿勢

（3）抱胸

如圖 3（c）所示，源節(jié)點 15 有節(jié)點 16、6、5、7、12、8、1共7個鄰居節(jié)點，但到sink節(jié)點的hops=1，形成的路由為15→1。

從上面分析可以看出：“立正”和“抱胸”將“直手臂”的路由 15→16→7→1分別改為15→5→1和15→1，減少了傳輸跳數(shù)，節(jié)省了能量。

5.2 實驗對比

在NS-2.35網(wǎng)絡仿真環(huán)境下比較EAAODV、MRDAODV兩種協(xié)議的性能，模擬參數(shù)除節(jié)點移動速度受NS-2.35最小值限制外，其他與EAAODV相同。由于MRDAODV鄰居節(jié)點表中hello消息的接收時間為節(jié)點本地時鐘，因此發(fā)出的 hello 消息只需要 ID、hops、next、isforward 4 個數(shù)據(jù)字段，ID、next各占 1 byte（容納 255 個節(jié)點），isforward（1 個二進制位）與hops共占1 byte，因此 hello消息的長度為3 byte，模擬參數(shù)見表3。

比較 EAAODV、MRDAODV兩協(xié)議發(fā)出的 RREQ數(shù)量、能量消耗和數(shù)據(jù)傳輸率（PDR），能量消耗和PDR的計算參考式（1）、式（3）。假定節(jié)點每隔5 s產生一個數(shù)據(jù)，發(fā)送／接收一個字節(jié)都消耗0.01 mJ能量，即式（2）中Eti=Eri，節(jié)點能量低于40 mJ不再轉發(fā)其他節(jié)點數(shù)據(jù)，模擬結果如圖4、圖 5、圖 6所示。

表3 模擬參數(shù)

圖4 RREQ數(shù)量對比

其中，Ndr為在sink節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)，Nsd為數(shù)據(jù)源節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)分組總數(shù)。

圖5 PDR對比

圖6 能量消耗對比

從圖4可以看出，MRDAODV協(xié)議RREQ數(shù)量少于EAAODV，在測試的前半段尤為明顯，這是因為最初所有轉發(fā)節(jié)點有足夠的能量，EAAODV在這段時間相當于廣播RREQ，而MRDAODV多播RREQ的條件是鄰居節(jié)點能否到達sink節(jié)點，減少了RREQ數(shù)量。在2 400 s時，許多節(jié)點能量已低于40 mJ，不再擔任轉發(fā)節(jié)點，兩協(xié)議的RREQ數(shù)量下降都比較快。到3 600 s時能量全部耗盡，兩協(xié)議的RREQ數(shù)量趨于0，MRDAODV比EAAODV發(fā)出的RREQ請求數(shù)量平均低20%左右。

在圖5中，兩協(xié)議的PDR區(qū)別不明顯，MRDAODV優(yōu)于EAAODV約3.5%。這是因為計算PDR未考慮時延、能耗等其他參數(shù)。隨著時間的增加，部分節(jié)點已不參與轉發(fā)數(shù)據(jù)，兩協(xié)議PDR下降明顯。MRDAODV性能優(yōu)的原因是數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)钠骄鴶?shù)小于EAAODV，減少了碰撞和重發(fā)的概率。

圖6為扣除sink節(jié)點的能量消耗。從圖6中可以看出，MRDAODV協(xié)議的能量消耗比EAAODV要低，EAAODV協(xié)議在2 900 s時幾乎所有節(jié)點能量耗盡，而MRDAODV協(xié)議在3 500 s時所有節(jié)點能量才趨于0，主要原因有兩個：在路由形成過程中，EAAODV選擇當前有效的路徑作為傳輸路徑（并不一定是最小跳數(shù)），參與轉發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點較多。而MRDAODV始終選擇最小跳數(shù)路由，降低了能耗和傳輸時延；在所有節(jié)點能量都充足時，EAAODV相當于廣播RREQ，而這時MRDAODV選擇能到sink節(jié)點的鄰居節(jié)點轉發(fā)RREQ，進一步降低了能量消耗。

6 結束語

WBAN在部署方式、節(jié)點類型與規(guī)模、流量類型、時延、移動性等方面不同于通用 WSN［5］，結合 WBAN本身的屬性設計新的傳輸協(xié)議，可以進一步提高WBAN各層協(xié)議性能。本文提出了一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議MRDAODV，通過修改hello消息格式，以sink節(jié)點為中心，周期性地逐級廣播hello消息，數(shù)據(jù)源節(jié)點只向能達到sink節(jié)點的鄰居節(jié)點多播發(fā)送路由請求RREQ，降低了能量開銷。同時考慮節(jié)點能量平衡，中間轉發(fā)節(jié)點根據(jù)自身能量消耗確定是否擔任轉發(fā)節(jié)點，延長了WBAN的使用壽命。下一步工作準備研究WBAN在廣播不同頻率hello消息下的能量消耗規(guī)律，并研究在保證WBAN各節(jié)點連通性的情況下，如何降低廣播的hello消息總數(shù)，進一步提高能量效率。

參考文獻：

［1］HA I.Technologies and research trends in wireless body area networksforhealthcare：a systematic literature review ［J］.International Journal of Distributed Sensor Networks，2015：4.

［2］MAURYA P K，SHARMA G，SAHU V，et al.An overview of AODV routing protocol ［J］.International Journal of Modern Engineering Research （IJMER），2012，2（3）：728-732.

［3］AGARIYA S，MEHROTRA R.Performanceevaluationof routing protocols in different wireless healthcare scenarios ［J］.InternationalJournalofEngineering Sciencesamp; Emerging Technologies，2013，6（3）：373-388.

［4］AYATOLLAHITAFTI V，SHARIATMADARI S，NGADI M A.Evaluation of Ad-Hoc routing protocols on body area networks［J］.International Journal of Electronics Communication and Computer Engineering，2013，4（2）：523-527.

［5］譚勁，王藝靜，張曼曼.一種及時可靠的無線體域網(wǎng)絡傳輸協(xié)議［J］.傳感技術學報，2014，27（2）：233-240.TAN J，WANG Y J，ZHANG M M.A timely and reliable transport protocol for body area networks ［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2014，27（2）：233-240.

［6］MURTHY J K，RAO V S.Improved routing protocol for health care communications ［J］.Open Journal of Applied Biosensor，2013（2）：51-56.

［7］MANFREDI S.Reliable and energy-efficient cooperative routing algorithm for wireless monitoring systems ［J］.IET Wireless Sensor Systems，2012，2（2）：128-135.

［8］HAMRIOUI S，LORENZ P，LLORET J，et al.Energy efficient in medical Ad Hoc sensors network by exploiting routing protocols ［C］／／IEEE Global Communications Conference，December 8-12，2014，Austin，TX， USA.New Jersey：IEEE Press，2014：2417-2422.

［9］AMBIGAVATHI M，SRIDHARAN D.Priority based AODV routing protocol for critical data in wireless body area network［C］／／3rd International Conference on Signal Processing，Communication and Networking （ICSCN），March 26-28，2015，Chennai，India.New Jersey：IEEE Press，2015：1-5.

［10］RAJA K S，KIRUTHIKA U.An energy efficient method for secure and reliable data transmission in wireless body area networks using RelAODV ［J］. Wireless Personal Communications，2015，83（4）：2975-2997.

［11］CHOI Y，KANNG D，BAHK S.Improvement of AODV routing protocol through dynamic route change using hello message［C］／／International Conference on Information and Communication Technology Convergence （ICTC），October 22-24，2014，Busan，Korea.New Jersey：IEEE Press，2014：117-121.

［12］COHEN R，KAPCHITS B.Continuous neighbor discovery in asynchronous sensor networks ［J］.IEEE／ACM Transactions on Networking （ToN），2011，19（1）：69-79.

［13］KHAN A A，REHMANI M H，SALEEM Y.Neighbor discovery in traditionalwirelessnetworksand cognitive radio networks：Basics，taxonomy，challenges and future research directions［J］.Journal of Network and Computer Applications，2015（52）：173-190.

［14］GOMEZ C，CATALAN M，MANTECON X，et al.Evaluating performance of real ad-hoc networks using AODV with hello message mechanism for maintaining local connectivity［C］／／IEEE 16th International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications， September 11-14， 2005， Berlin，Germany.New Jersey：IEEE Press，2005：1327-1331.

［15］PATEL K，VASVADA T，VEGAD M.Effect of hello message on performance of Ad-Hoc on-demand routing protocol ［C］／／NationalConferenceon RecentTrendsin Engineering amp;Technology，May 13-14，2011，Gujarat，India.［S.l.：s.n.］，2011.

An energy balance AODV protocol with multicast route discovery for wireless body area networks

TAN Jin，ZHANG Yujuan
College of Information Engineering，China Ji Liang University，Hangzhou 310018，China

In AODV protocol with the dynamic topology networks，the source node S requests a route to an arbitrary destination node D with flooding broadcast the RREQ message，but there is only one destination node sink in a WBAN，other nodes involved in receiving and forwarding RREQ have wasted energy except the nodes on minimum hop count routing.An energy balance AODV protocol with multicast route discovery for wireless body area networks was proposed，it increased the minimum hop count to sink hops，the next hop node to sink next and the node itself has the forwarding capability isforward three parameters in a hello message，and selects neighbors which could reach the sink only to participate in forwarding the RREQ message.This protocol effectively reduces the energy cost of the routing discovery through changing the broadcast to multicast，and prolongs the service life of WBAN with energy balance.The performance analysis and simulation experiment indicate that the proposed protocol is more advantaged than similar EAAODV in the number of RREQ，packet delivery ratio and energy consumption.

wireless body area network，AODV protocol，route discovery，hello message

The Nature Science Foundation of Zhejiang Province of China（No.LY16F020013）

TP393

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016204

2016-03-17；

2016-07-14

浙江省自然科學基金資助項目（No.LY16F020013）

譚勁（1962-），男，博士后，中國計量大學副教授，主要研究方向為無線網(wǎng)絡與通信、多媒體技術。

張玉娟（1992-），女，中國計量大學碩士生，主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡。