面向無(wú)線體域網(wǎng)的能耗控制路由算法研究

彭藝+張聳

摘要：無(wú)線體域網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量是有限的，如何優(yōu)化體域網(wǎng)的路由選擇，降低網(wǎng)絡(luò)能耗成為無(wú)線體域網(wǎng)路由算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前，常用于無(wú)線體域網(wǎng)的動(dòng)態(tài)源路由算法DSR雖能夠順利完成數(shù)據(jù)傳遞，但存在能耗較高的問(wèn)題。因此，在DSR的基礎(chǔ)上，提出了一種基于能耗控制的路由算法ECC-DSR。該路由算法采用節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性傳輸鏈路，并綜合考慮路由路徑跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與剩余能量，動(dòng)態(tài)調(diào)整路由，從而使路由在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可以充分利用網(wǎng)絡(luò)中的資源。仿真結(jié)果表明，ECC-DSR協(xié)議能夠降低無(wú)線體域網(wǎng)的能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期。

關(guān)鍵詞：無(wú)線體域網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性；能耗控制；網(wǎng)絡(luò)生存期

DOIDOI：10.11907/rjdk.172036

中圖分類號(hào)：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）012-0086-04

Abstract：Because the energy of sensor node of wireless body area network is limited， so how to optimize the routing to reduce network energy consumption becomes the key to WBAN routing algorithm design. At present， although the dynamic source routing algorithm （DSR）， which is commonly used in WBAN， can successfully finish the process of data transmission， there is a problem of high consumption. Therefore， the energy consumption control routing algorithm which is based on DSR was proposed in this paper. The routing algorithm uses Node-Disjoint and takes into account the number of hops of the routing path， the node of the transmit power and the residual energy. Based on those above people can adjust the route dynamically， so that data transmission can make full use of the resources in the network， simulation shows that ECC-DSR can reduce energy consumption and prolong WBAN lifetime.

Key Words：Wireless Body Area Network（WBAN）； node-disjoint； energy consumption control； network lifetime

0 引言

隨著無(wú)線傳感網(wǎng)在醫(yī)療系統(tǒng)、健康護(hù)理等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，無(wú)線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN）[1]逐漸進(jìn)入大眾視野。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)會(huì)面臨能量受限問(wèn)題，所以如何節(jié)能成為WBAN中首先需要考慮的問(wèn)題。

從根本上看，無(wú)線體域網(wǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種，具有多跳、自組織、自主配置的特點(diǎn)[2]，應(yīng)用場(chǎng)景具有特殊性；節(jié)點(diǎn)供電來(lái)源一般為電池，電池電量有限，所以能量會(huì)受到一定限制[3]；體域網(wǎng)的鏈路是無(wú)線信道，加上人體運(yùn)動(dòng)難以預(yù)知，導(dǎo)致信道質(zhì)量處于隨時(shí)變化的狀態(tài)[4]；另外，節(jié)點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)景不同，節(jié)點(diǎn)重要性也會(huì)有所不同。因此，以無(wú)線體域網(wǎng)的獨(dú)有特征為出發(fā)點(diǎn)，如何設(shè)計(jì)能量較為高效的路由協(xié)議是構(gòu)造無(wú)線體域網(wǎng)的重點(diǎn)。

目前，大量文獻(xiàn)研究了無(wú)線體域網(wǎng)的可靠路由，而鮮有文獻(xiàn)研究如何以能耗為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行路徑選擇。文獻(xiàn)[5]針對(duì)節(jié)點(diǎn)能量受限問(wèn)題，根據(jù)已有研究，分析總結(jié)了物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層已有的節(jié)能策略；文獻(xiàn)[6]研究設(shè)計(jì)了自適應(yīng)睡眠調(diào)度的自適應(yīng)路由算法，在確保節(jié)點(diǎn)進(jìn)入信道時(shí)能夠有同等機(jī)會(huì)的前提下，最大程度地降低處于睡眠或功率較低狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而使體域網(wǎng)的生存期得以延長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5]、[6]提出的節(jié)能策略，只能在一定程度上減少能耗。

因此，本文首先分析現(xiàn)有的DSR路由算法（Dynamic Source Routing），然后在原有算法上，以應(yīng)用無(wú)線體域網(wǎng)的場(chǎng)景為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于能耗控制的路由算法ECC-DSR（Energy-Consumption-Control DSR）。該路由算法針對(duì)最大限度延長(zhǎng)WBAN生存期問(wèn)題，綜合考慮了體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)時(shí)的發(fā)射功率、傳輸過(guò)程中路徑節(jié)點(diǎn)剩余能量等影響因素，動(dòng)態(tài)調(diào)整路由方法，盡可能確保在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，最大程度地利用能量資源，減少能量浪費(fèi)，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，提高無(wú)線體域網(wǎng)的使用效率。最后，采用Matlab軟件進(jìn)行仿真，分析比較了ECC-DSR和DSR路由算法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 無(wú)線體域網(wǎng)

無(wú)線體域網(wǎng)的系統(tǒng)組成如圖1所示[7]。系統(tǒng)可以采集血壓、指脈、呼吸等人體各項(xiàng)生理參數(shù)，采集到的數(shù)據(jù)信息由置于身體上的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，匯聚后通過(guò)藍(lán)牙（Bluetooth）、無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）和通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）等方式將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至個(gè)人服務(wù)器[8]，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)、醫(yī)療支持和醫(yī)療數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，以保證對(duì)穿戴人員的實(shí)時(shí)生理狀況進(jìn)行可靠檢測(cè)，從而提供最及時(shí)、有效的措施[9]。

1.2 無(wú)線體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能耗分析

在無(wú)線體域網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，在最佳狀態(tài)時(shí)盡可能減少數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)，可使傳輸成功率得以大幅提高。鑒于此，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率變得尤為重要。如果發(fā)射功率保持固定不變，在不同的傳輸距離下，勢(shì)必造成能量浪費(fèi)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)使用效率降低。為了提高體域網(wǎng)的能量使用效率，延長(zhǎng)生存期，在保證數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確接收的前提下，盡可能減小發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，既可以減少能量浪費(fèi)，還能一定程度上提高傳輸信道的空間復(fù)用度[10]。

如圖2所示，無(wú)線體域網(wǎng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)在固定的時(shí)間間隔內(nèi)向上下跳節(jié)點(diǎn)傳送一條命名為HELLO的數(shù)據(jù)信息，并請(qǐng)求接收端答復(fù)。當(dāng)收到答復(fù)時(shí)，接收端會(huì)依據(jù)距離上一跳和下一跳的距離，對(duì)其發(fā)射的功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以確保信息的順利傳遞。然而，如果發(fā)送端未接收到來(lái)自接收端的數(shù)據(jù)回應(yīng)，便會(huì)發(fā)送一個(gè)命名為ERROR的數(shù)據(jù)信息給上下跳節(jié)點(diǎn)，以此在路由中表達(dá)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送中斷的消息。路由表中，處于該位置的中繼節(jié)點(diǎn)繼而會(huì)刪除下一跳內(nèi)容，然后利用路由發(fā)現(xiàn)功能，尋找可以繼續(xù)傳輸?shù)穆酚伞?/p>

2 鏈路穩(wěn)定性數(shù)學(xué)建模

無(wú)線體域網(wǎng)傳輸路徑的穩(wěn)定性和各節(jié)點(diǎn)相互連接的方式受多種因素影響[11]，例如節(jié)點(diǎn)自身具有的能量、傳輸信道中受到的干擾、所處的外界環(huán)境和鏈路相關(guān)性等，本節(jié)主要研究無(wú)線體域網(wǎng)的能量利用率以及傳輸鏈路結(jié)構(gòu)對(duì)路徑穩(wěn)定性的影響[12]。通過(guò)查閱節(jié)點(diǎn)相關(guān)性的有關(guān)內(nèi)容，多徑路由可以分成兩種，即節(jié)點(diǎn)獨(dú)立多徑路由和鏈路獨(dú)立多徑路由[13]。

（1）鏈路獨(dú)立多徑路由，指?jìng)鬏斅窂介g有共用節(jié)點(diǎn)，但是沒有共用鏈路[14]。如圖3所示，源節(jié)點(diǎn)A到目的節(jié)點(diǎn)Z之間存在相交鏈路，相交節(jié)點(diǎn)為H。

（2）節(jié)點(diǎn)獨(dú)立多徑路由，指?jìng)鬏斅窂匠垂?jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)外，沒有共用的節(jié)點(diǎn)或傳輸鏈路，各條路徑之間相互獨(dú)立[14]。如圖4所示，源節(jié)點(diǎn)A到目的節(jié)點(diǎn)Z之間不存在相交路徑。

針對(duì)鏈路獨(dú)立多徑路由模型和節(jié)點(diǎn)獨(dú)立多徑路由模型，對(duì)傳輸鏈路發(fā)生斷裂的概率進(jìn)行比較。用p（0≤p≤1）表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的概率，令A(yù)i、Bi和Ci、Di分別為鏈路獨(dú)立多徑路由和節(jié)點(diǎn)獨(dú)立多徑路由路徑上的節(jié)點(diǎn)，P0表示節(jié)點(diǎn)獨(dú)立路由發(fā)生故障的概率，P1表示鏈路獨(dú)立路由發(fā)生故障的概率。

其中，Pr（d）表示接收節(jié)點(diǎn)收到距離為d的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息的信號(hào)強(qiáng)度，Pt表示每一個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)的功率，d表示兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，ε表示傳輸路徑中的能量損耗指數(shù)，其取值受外界環(huán)境影響。

本文主要考慮節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率、剩余能量和跳數(shù)，在選擇最終路由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，綜合考慮3方面因素，選擇一條路由代價(jià)最小的路徑是本算法的核心思想。被選擇的路徑具有路徑剩余能量相對(duì)較高、節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率合適和跳數(shù)相對(duì)較少的特點(diǎn)，并且能夠均衡網(wǎng)絡(luò)能量，最大程度上節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量，減少網(wǎng)絡(luò)延遲和數(shù)據(jù)包丟失等，下面描述如何將這3個(gè)因素統(tǒng)一起來(lái)。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)具有多條可達(dá)路徑時(shí)，剔除其中含有需要保護(hù)的節(jié)點(diǎn)路徑，然后在可用的路由路徑中，綜合考慮節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、節(jié)點(diǎn)剩余能量和路徑跳數(shù)3大因素選擇路徑能耗最小的路徑。

其中，α、β分別表示路徑i中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率和節(jié)點(diǎn)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。由于節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率是路徑選擇時(shí)考慮的最主要因素，需要算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并且是求最小能耗函數(shù)，因此所占權(quán)重相比于其它兩項(xiàng)應(yīng)該明顯偏低。

路由請(qǐng)求回應(yīng)的信息到達(dá)傳輸路徑的源節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)路徑上n條接收到的路由請(qǐng)求進(jìn)行回應(yīng)，對(duì)其消耗的能耗值進(jìn)行比較，選擇能耗值最小的鏈路R為最終傳輸鏈路，如式（11）所示：

4 仿真分析

該仿真研究的是無(wú)線體域網(wǎng)的能量損耗，生存期定義為無(wú)線體域網(wǎng)從開始工作到有節(jié)點(diǎn)能量被耗盡的中間這段時(shí)間。由于DSR是按照最短路徑選擇路由，相比于采用節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性路由模型，并綜合考慮節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、路由跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)剩余能量的ECC-DSR路由算法，節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同數(shù)據(jù)量，其損耗的能量相對(duì)較多。

圖5描述了體域網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量的變化情況。初始能量都為100mJ，其中ECC-DSR路由協(xié)議動(dòng)態(tài)控制節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，在前250s能量沒有明顯消耗，相比DSR協(xié)議多出150s。此后一段時(shí)間，ECC-DSR路由算法中節(jié)點(diǎn)的剩余能量明顯高于DSR路由協(xié)議的剩余能量，DSR協(xié)議節(jié)點(diǎn)于400s時(shí)能量耗盡，ECC-DSR算法生存期延長(zhǎng)了150s。

圖6描述了DSR算法和ECC-DSR算法網(wǎng)絡(luò)生存期的變化情況。在相同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的前提下，ECC-DSR算法綜合考慮了節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率、剩余能量和路徑跳數(shù)等因素，相比于DSR算法大大延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存期，并且當(dāng)體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)密度越大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)生存期越長(zhǎng)，效果越明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在按需驅(qū)動(dòng)型路由DSR基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的路由算法ECC-DSR，該路由協(xié)議是一種適合WBAN的節(jié)能路由協(xié)議，相比于DSR協(xié)議，在鏈路穩(wěn)定性較高的節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性路由前提下，盡量選擇路由跳數(shù)少、剩余能量豐富且不包含能量極少節(jié)點(diǎn)的路徑。同時(shí)，在確保接收端正常接收的情況下，盡量降低發(fā)射功率，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最后通過(guò)仿真分析對(duì)比，該協(xié)議相比于現(xiàn)有的DSR路由協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中的資源，網(wǎng)絡(luò)生存期得到一定程度提高，體現(xiàn)了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?