无线体域网的节能策略探究

2017-12-28胡志豪成都二十中学

数码世界 2017年11期

关键词：路由能耗无线

胡志豪成都二十中学

无线体域网的节能策略探究

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无线体域网即体域传感网，可以通过人体周围的传感器来感知人体各类参数的变化情况，再通过无线发送至基站，目前已经在智能家居、医疗保健、军事、娱乐等领域得到了广泛应用。本文主要从节能角度来探讨无线体域网的应用与节能方式。

无线体域网节能策略分析

无线体域网是由人体相关的网络元素等组成的以人体为中心的网络，它能通过体内或身体周围的传感器节点对人体的一些重要参数比如血压、体温、心跳等或人体周围的参数如湿度、光照进行感知，并通过无线的方式发送到身体周围的基站，最终上传到服务器进行分析处理，目前已经被广泛应用到军事、娱乐、医疗保健等领域。

无线体域网是无线传感器网络的一个重要分支，它便携可移动，受到很多领域的关注，然而日益凸显的节点充电难、替换难的能耗问题，使得无线体域网的节能研究成为近几年的热点，下面通过以无线体域网的结构和特点为研究基础，结合相关的研究，分别从物理层、MAC（媒体接入控制层）层和网络层等方面分析无线体域网的节能策略。

1 物理层节能

WBAN（无线体域网）感知部分的核心是传感器，若想要将传感器应用于WBAN，那么传感器必须具备微型化、低耗能、智能化、高精度以及对人体无害的优点。早期对于传感器的节能研究主要侧重在传感器节点系统功率的管理和调度， Sinha 提出的动态功率管理策略将节点分成五个工作状态，这样既能满足功能的需求，又能降低能耗；然后是IM提出的动态电压调节机制，通过动态调节电压来减小系统功能损耗，但通过调低电压来节能并不是长久的策略，因为低电压会导致电路的运行速度减慢，使信息不能及时发送。

随着近几年MEMS和嵌入式技术的发展，对传感器节点节能的研究开始偏向于低功耗的硬件的设计。Gu 等人就提出并设计了一种基于ISM频段的转发器，这款转发器功耗低，电压低，集成度高，性能也比较高。

目前我们所能做到的就是在传感器节点在既定能量的基础上进行节能设计，却没有考虑通过增加电池的寿命或让电池从周围的环境中获取能量来解决能耗问题。增加电池的寿命就需要增大电池的容量，由于WBAN以人体为中心的特点，节点的尺寸要尽可能的小，这就直接决定了电池的体积不能太大，所以使电池从周围获取能量将成为一种新的发展趋势。

2 MAC层节能

体域网中还有一个主要能耗源就是源于频射模块的发送与接收，MAC协议就是直接控制射频模块，因此目前对于W BAN的节能研究还偏向于高效的MAC协议的设计。一个好的MAC协议不仅要满足用用的需求，还要尽可能使能量高效。

研究表明，MAC层造成能量浪费的因素主要有消息碰撞、负载波动、窃听、空闲侦听以及发送失败等。目前主要是通过减少数据流量、冲突避免的方式来降低能耗的， BSNMAC、 CAMAC 、 BATMAC 等协议就是减少数据流量方面的， DQBANMAC 、DCAA-MAC 、 PG-MAC 等协议主要是应对冲突的，避免冲突。 DQBAN-MAC协议避免冲突的方式就是采用无冲突队列，通过跨层模糊规则调度算法和能量感知策略来为节点分配没有冲突的时间间隙。

WBAN这一新兴技术对应用高度相关，因此目前所研究出的节能MAC协议也是针对不同场景和需求的，没有一种M AC协议是适用于所有场合的，这也将是未来的一种发展趋势。

3 网络层节能

WBAN在网络层的节能策略主要是单跳路由、多跳路由和协作路由三类。

单调路由协议属于直接传输，对距离sink节点近的节点能降低能耗，但对于距离远的节点反而会增加能耗。为此，又研究出了多跳路由协议，多跳路由协议分为基于树的路由与基于簇的路由两种，基于树的路由协议是分散的，有效的避免了冲突，提高效率降低能耗，基于簇的协议创建了以簇头为中心的骨干网络，减少基站直接通信的节点数，有效降低了能耗。但多跳路由也存在一些问题，首先距离sink节点近的节点会很容易被其他节点当做下一条节点，这种节点很容易死亡，影响整个网络的连通性。为此，协作路由由此产生，它权衡了单跳路由和多跳路由的利弊，根据源节点与sink节点之间的距离大小将其分为不同的级别，低级是选用单跳路由，高级时选用多跳路由，极大的改善了整个网络的生命周期。

尽管上面提到的路由协议在体域网节能方面起到一定作用，但这仅仅是在理论层面的，没有充分考虑实际应用中可能出现的一系列问题，实际应用中将会存在很大的局限性，因此还需要进一步更细致的研究。