一种高吞吐量的WBAN多跳协议*

吴宪君

(广东石油化工学院 实验教学部，广东 茂名 525000)



一种高吞吐量的WBAN多跳协议*

吴宪君

(广东石油化工学院 实验教学部，广东 茂名 525000)

为提高无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)能量效率和实现高吞吐量，提出一种多跳拓扑结构来节约能耗，延长网络寿命。通过设定代价函数选出前驱节点，使得被选用节点具有较多的剩余能量和较小传输间距。代价函数的剩余能量参数用于平衡传感节点的能量损耗，距离参数确保包交付成功率。仿真结果表明，该协议得到稳定的高吞吐量，有助于WBAN对人体病症的连续监测。

WBAN；代价函数；能量距离参数

无线传感器网络(WSNs)渐渐应用到各种领域[1]，无线体域网(WBAN)是WSNs新兴的子领域。WBAN主要应用于人体健康的监测。WBAN的传感器节点由于受到节点体积设计的限制，所配置的电池能够提供的能量是非常有限[2]。使用路由协议能有效地应对电池充电的问题。在WSNs中提出了许多节能路由协议。由于WSNs和WBAN具有不同的体系结构、应用和使用于不同的操作条件，因此应用于WSNs的路由协议不能用于WBAN[3]。针对WBAN对患者监测周期长的特征需要一些能量更为高效的路由协议，文章提出了一个高吞吐量、可靠稳定的WBAN路由协议。在身体上固定部署传感器节点，并在相对稳定姿态的腰部位置固定汇聚节点。在靠近汇聚节点附近将放置重要的传感器，而其它一般的传感器则通过其父节点或前驱节点传输数据。这样分开部署的优势在于，可以满足重要传感器(如，心率和血糖)监测到数据的关键临界点以及要求具有最小测量衰减误差，因此WBAN可相应获得高可靠性和长寿命，并且节省节点和网络的能量消耗。

1　相关研究

在WBAN已经存在大量的路由方案。文献[4]提出了一个热度的路由协议，每个节点都选择最小跳数搜寻汇聚节点，当一个父节点被选热度增加，子节点选择另一个优化路线。文献[5]分析能耗和速率与距离的关系，提出阈值控制的方法，考虑传输距离大于阈值距离的长距离传输，通过时延约束的包调度算法优化能耗。Braem 等人相继提出等基于树的路由协议，通过节点分配的地址信息，以分散的方式来为网络创建路由树，有效避免了数据在路由传输中的冲突，提高了节点的能效[6]。

2　无线模型

许多文献提出相关广播模型。为尽量减少能量消耗和提高吞吐量，使用了文献[7]提出的广播模型。在该广播模型中，d为发射器与接收器之间的距离；其一阶广播模型方程为：

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为传输消耗的能量；ERx为接收器消耗的能量；ETx-elec和ERx-elec分别为发射器和接收器电路运行所需的能量；Eamp为放大器电路所需的能量；k是数据包的大小。

在WBAN，人体是无线电信号衰减的通信媒介。在广播模型添加路径损失系数n，则发射器式(1)为：

ETx(k,d)=Eelec×k+Eamp×n×k×dn

(3)

能量方程式(3)中给定的参数依赖于硬件。通常WBAN中使用的接收器带宽为2.4 GHz。

文中提出一个新的WBAN路由协议，为WBAN路由协议中有限数量的节点提供宽松约束机会。在保持路由约束条件不变前提下，提高网络的稳定性时间和吞吐量。以下介绍系统模型与协议的细节。

2.1系统模型

图1sink和sensor节点

在这个方案中，在人体上部署传感节点，假设所有传感器节点有相等的能量和计算功能。汇聚节点放置在腰部，附近传感节点可直接向汇聚节点传输数据。在初始化阶段，汇聚节点广播一个包含节点在人体位置的短信息包。每个传感器节点接到这种控制包后存储汇聚节点的位置。然后，每个传感节点广播一个包含节点ID、在身体的位置和能量状态的信息包。通过这种方式，网络中的所有传感节点都更新与邻居和汇聚节点的位置。选择下一跳阶段，使用一种基于多跳的WBAN方案，通过在标准节点被选择成为父节点或前驱节点设置条件，分配一个基于时分多址(TDMA)的时段到子节点用于传输数据，使得传感节点能量消耗平衡、减少网络中能量的消耗。图1为传感节点和汇聚节点在人体的位置分布。

2.2网络模型

通过已知的汇聚节点ID、距离和剩余节点的能量，协议可以计算所有节点代价函数和传输代价函数选出每轮新的前驱节点。假设i是节点数，则第i个节点的代价函数为：

(4)

式中：d(i)是第i个传感节点和汇聚节点之间的距离；R.E(i)是节点i的剩余能量，通过最初的总能量减去当前节点的能量计算得出。

具有最小的代价函数的节点优先成为前驱节点。前驱节点与其邻居节点绑定一起将数据传输给前驱节点，前驱节点集合数据并将数据转发汇聚节点。由于前驱节点具有最大剩余能量和汇聚节点间的最小距离，它消耗最低的能量将数据转发给汇聚节点。心电图和葡萄糖节点与汇聚节点间直接通信不参与转发数据。

3　仿真结果和分析

为评估本文提出协议的效率，通过MATLAB R2009a进行多组数实验。在实验中设为Simple与现有的协议ATTEMPT对比性能。在网络中设定包括Sink在内的20个传感节点，并假定：(1)网络拓扑结构固定；(2)节点同构且节点有唯一ID；(3)节点都具有相同的初始剩余能量、相同的采集数据速率和单位采集数据量能量消耗。

3.1吞吐量

吞吐量是汇聚节点成功的收包数。WBAN中病人的数据非常重要，它需要一个在汇聚节点间具有最小丢包率和最大成功接收率的数据协议。相比，简单的协议实现了高吞吐量，如图2所示。

发送的数据包数量取决于活着的节点个数。更多活着的节点发送更多的数据包从而增加网络的吞吐量。协议ATTEMPT的稳定性时期短于协议Simple，这意味着发送的数据包数量下降，吞吐量较低。因此，简单的协议有长的稳定时期从而实现高吞吐量。

3.2剩余能量

文章提出的模型使用多跳拓扑，每个最远端节点通过前驱节点传输数据。在每一轮选择适当的前驱节点有助于节约能量，其平均能量消耗如图3所示。

图2吞吐量与轮换次数图3剩余能量和轮换次数

每一轮使用不同的多跳拓扑前驱节点传输数据包到汇聚节点，来限制特定的节点过载。仿真结果表明，协议Simple最低能量消耗仅模拟时间的70%。这意味着，在稳定时期，更多的节点拥有了足够的能量来传输更多的数据包，并且网络的吞吐量也提高了。另外，一些节点由于过重的负载而被过早的消耗掉。

4　结论

本文提出一个WBAN的数据路由方案。该方案使用代价函数来选择适当的路由途径，并计算节点的剩余能量和距离。节点以代价函数的更小值选定为父节点，其他节点成为父节点的子节点并且将数据转发给父节点。需要传输的非常重要医疗数据的节点数据将另外使用直接的方法发送给汇聚节点，它们传输数据不消耗能量转发。仿真结果表明，提出的路由方案得到稳定的高吞吐量。

[1] 周晓丽.基于WBAN的能量效率优化方法研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013.

[2] 叶奇明.无线充电技术在无线传感器网络中的应用现状[J].广东石油化工学院学报，2015(2):45.

[3] 刘汉春，刘静，徐友云，等.基于临时节点的无线体域网高效节能路由算法[J].信息技术，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.基于阈值距离的WBAN能耗优化算法的研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.

[6] 卢先领，彭能明，陆胜男，等.无线体域网节能策略综述[J].计算机应用研究，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.

(责任编辑：黄容)

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

吴宪君(1981—)，男，广东茂名人，硕士，讲师，主要研究方向为传感器网络、图像处理。

TN92

A

2095-2562(2016)04-0041-03