基于生存期優化的無線體域網中繼選擇研究

管張均,顧肖凌

(上海海事大學 電子工程系,上海 201306)

0 概述

隨著無線通信技術和現代醫療健康的快速發展,近年來在醫療健康領域涌現出一項新興技術——無線體域網(Wireless Body Area Network,WBAN)。在相關研究中,文獻[1-2]關注了無線體域網的服務質量(Quality of Service,QoS)、能效以及網絡魯棒性,文獻[3-4]研究了采用協作方式的無線體域網傳輸機制,文獻[5]提出了優化無線體域網能效的調度策略。無線體域網屬于無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network,WSN),其基本結構由一個中心節點和若干傳感器節點組成。傳感器節點對人體生理信號進行采樣、處理,然后將其發送到中心節點,并由中心節點轉發到遠程的數據中心或醫療機構。基于無線體域網的電子健康應用能夠以實時、低成本、便捷的方式解決健康問題,緩解公共醫療系統的壓力,使得醫療資源能合理分配[6]。但是,無線體域網的實際應用也存在著諸多問題,例如:無線體域網是能量受限網絡,其中傳感器節點由電池供電,對于植入人體的節點,更換電池是不方便的。2012年2月,IEEE 802.15.6工作組發布了無線體域網標準[7],涵蓋了無線體域網的各個方面,包括物理層、媒體接入控制層和安全模式等,制定了人體內和人體附近的無線短距離通信標準[8]。近年來,無線體域網已成為無線通信特別是無線傳感器領域的研究熱點之一,相關研究成果不斷涌現。

文獻[9]介紹了體表通信的信道特性并設計了無線體域網的能效拓撲結構,從拓撲結構的角度對無線體域網的能效問題進行探討[10]。近年來,協作通信的概念被引入到無線體域網中,研究者通過中繼轉發來提高網絡的能效和可靠性,同時降低網絡干擾。文獻[11]利用基于IEEE802.15.4射頻標準的最優數據轉發和協作通信技術以及人體耦合通信技術減少了無線體域網的能耗[10]。文獻[12]通過基于IEEE P802.15的信道模型對醫療植入系統協作機制下的無線體域網進行了詳細分析,其中傳感器節點在美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)規定的安全功率范圍內工作,有效降低了網絡的中斷概率和數據傳輸的誤碼率,減少了無線體域網的能耗[10]。文獻[13]引入博弈論中的納什均衡理論,用于解決無線體域網的中繼選擇和功率分配問題中,在系統服務質量的限制下,每個傳感器節點尋求自己的最優節能策略,并提供端到端延時的上界,該理論提高了嚴重衰落下的移動無線體域網系統性能。

由于無線體域網的能量受限特性,網絡生存期的優化是其實際應用的關鍵技術之一[14],而該項技術的研究最早在無線傳感器網絡領域就已開展[15]。針對該問題,本文建立兩跳無線體域網模型,給出2種網絡生存期的定義并提出4種中繼選擇策略。

1 無線體域網模型

本文中考慮的無線體域網,包括N個具有初始能量ε0的傳感器節點和一個中心節點AP。網絡的拓撲結構為樹狀結構,傳感器節點與中心節點間可以通過直傳或者中繼轉發的方式進行通信。信道模型采用塊衰落信道,在每個時隙信道增益保持不變。如圖1所示,傳感器采集信息傳輸給中心節點,再由中心節點傳輸到外部網絡。一些節點平時負責監測信號,但數據量較低,長時間處于休眠狀態。在信道嚴重衰落時,這些節點能被動態選擇為中繼節點,幫助其他節點傳輸數據以保障傳輸可靠性[6]。

圖1 無線體域網模型

2 網絡生存期定義與中繼選擇策略

假定任意兩節點之間的信道服從塊衰落模型,即信道狀況在每一次數據傳輸期間保持不變。在本文的無線體域網模型中,假設C是任意2個節點在某個傳輸時隙間的信道增益,根據小尺度衰落模型,C是一個隨機變量,其均值由兩節點間的路徑損耗決定。因此,由一個節點成功傳輸數據到另一個節點所需的能量可表示為:

(1)

其中,εc是傳輸電路損耗。由于用達到目標信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)所需的最小接收信號能量進行歸一化處理,因此信道增益越大,傳輸數據所需的能量就越小。

假設每個傳感器節點的初始能量為ε0,那么每個傳感器的剩余能量為一隨機變量,其值由前一次數據傳輸的信道增益決定。下面對數據傳輸過程中傳感器的狀態做以下說明:

1)當某個傳感器節點的剩余能量無法完成下一次數據傳輸時,認為該節點是不“活躍”的。

2)當某個中繼節點完成了到中心節點的數據傳輸,那么下一次該節點將不作為候選節點。

假設網絡中有一節點為主節點,該節點對數據傳輸的可靠性要求較高,可以通過直傳或者中繼的方式傳輸數據到中心節點。以主節點是否能完成數據傳輸為標準來定義無線體域網的網絡生存期為:當某一時刻,主節點無法傳輸數據到任一中繼節點,或者沒有中繼節點能轉發主節點的數據到中心節點,或者主節點無法直傳數據到中心節點,此時網絡“死亡”,在此之前到中心節點的數據傳輸次數即為網絡生存期。當網絡“死亡”時,所有節點的剩余能量都被浪費了,定義網絡的損失能量為:

(2)

其中,N是傳感器節點數,L是網絡“死亡”時完成的數據傳輸次數,Ei(L)是節點i的剩余能量。因為每個節點會經歷不同的信道衰落,有不同的剩余能量,所以怎樣選擇中繼節點可以使網絡生存期最大化,即是本文要解決的問題。

文獻[11]給出了網絡生存期期望的通用模型,該模型不涉及具體的網絡架構、數據傳輸方式、生存期定義、信道衰落特征和能量消耗模型,其定義式為:

(3)

從之前的網絡生存期定義可以看到,無論采取何種中繼選擇策略,當網絡“死亡”時,勢必大部分中繼節點還有充足的剩余能量,完全可以用來傳輸自己的數據。可見從整個網絡的角度考慮,第1種網絡生存期的定義造成了資源的極大浪費,并不適合現實應用。因此,可以給出第2種網絡生存期的定義為:當某一時刻,網絡中沒有任何節點能傳輸數據至中心節點時,網絡“死亡”,在此之前到中心節點的數據傳輸次數即為網絡生存期。具體執行過程如下:

1)當至少有一個中繼節點是“活躍”的,并且主節點至少能傳輸數據到一個中繼節點時,先按照某種策略選擇中繼節點,判斷此時主節點到選擇的中繼節點能否完成數據傳輸,如能,則進行主節點到中心節點的兩跳傳輸;否則選擇的中繼節點直傳自己的數據到中心節點。

2)當至少有一個中繼節點是“活躍”的,并且主節點不能傳輸數據至中繼節點時,中繼節點采取相應的中繼選擇策略直傳自己的數據到中心節點。

3)當沒有中繼節點是“活躍”的,并且主節點至少能傳輸數據到一個中繼節點時,判斷主節點能否直傳,如能,則進行直傳;否則宣告網絡“死亡”。

3 仿真結果與分析

在本文仿真中,兩跳之間均為瑞利衰落信道,蒙特卡洛仿真次數為104次。每個傳感器節點的初始能量ε0=5 J,傳輸電路損耗εc=0.01 J,信道估計損耗εs=0.001 J。圖2給出了第1種網絡生存期定義下網絡生存期隨傳感器初始能量的變化曲線。此時中繼節點數為5,所有需要獲知信道增益的選擇策略均考慮了信道估計所消耗的能量。

圖2 網絡生存期與傳感器初始能量的關系曲線1

從圖2可以看出,隨著傳感器初始能量的增加,在所有傳輸策略下,網絡生存期都呈現線性增長趨勢。比較不同的傳輸策略可知:直傳策略下網絡生存期最小;任意選擇中繼節點和選擇剩余能量最大的中繼節點策略,相較直傳策略略有提升,但是提升幅度不大;選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略,相較前三種傳輸策略,網絡生存期有了較大提升;選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略是所有傳輸策略中網絡生存期最大的。原因在于:在第1種網絡生存期定義下,網絡生存期主要取決于主節點的能耗情況;直傳、任意選擇中繼節點和選擇剩余能量最大的中繼節點都沒有考慮信道狀況,不能減小主節點每一次傳輸的能耗,因此這三種傳輸策略下的網絡生存期最小,而且近乎一致;選擇兩跳信道增益之和最大,在某種程度上減小了主節點每一次傳輸的能耗,因此網絡生存期有了很大提升;但是該策略并不能保證主節點的能耗最小,因此其網絡生存期并不是最大的,只有選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略才能使第一種網絡生存期定義下的網絡生存期最大化。但是,在第一種網絡生存期定義下,網絡“死亡”時,大部分中繼節點仍有充足的能量去傳輸數據,因此從整個網絡性能的角度考慮,第一種網絡生存期的定義造成了資源的極大浪費,并不適合現實應用。

圖3給出了第1種網絡生存期定義下網絡生存期隨中繼節點數量的變化曲線,此時每個傳感器節點的初始能量ε0=5 J。

圖3 網絡生存期與中繼節點數的關系曲線1

從圖3可以看出,任意選擇中繼節點和選擇剩余能量最大的中繼節點策略并不能隨著中繼節點的增加帶來網絡生存期的提升,因為這兩種策略并不能隨著中繼節點的增加選擇到信道狀況更好的中繼節點,從而減小主節點的能耗。選擇兩跳信道增益之和最大和選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略,都偏向選擇信道狀況更好的中繼節點,因此其網絡生存期相比前兩種策略都有了很大提升。其中前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略,更是直接關注主節點的能耗,因此其網絡生存期隨中繼節點的增加提升最大。但是由于主節點的初始能量是有限的,在第一種網絡生存期定義下,這種提升會隨著中繼節點的增加達到某個極限。也就是說,當中繼節點數量足夠大時,節點的增加帶來網絡生存期的提升非常有限。

圖4給出了平均損失能量隨中繼節點數量的變化曲線。根據第1種網絡生存期的定義,網絡“死亡”時,大部分中繼節點仍有充足的能量去傳輸數據,因此,網絡平均損失能量近似為中繼節點數減一個傳感器初始能量之和。即使是選擇前一跳傳輸信道增益最大的傳輸策略,其平均損失能量減小的幅度也很有限。這造成了資源的極大浪費,從而引出了第2種網絡生存期的定義。

圖4 平均損失能量與中繼節點數的關系曲線1

圖5給出了第2種網絡生存期定義下網絡生存期隨傳感器初始能量的變化曲線。同樣地,隨著傳感器初始能量的增加,在所有傳輸策略下,網絡生存期都呈現線性增長趨勢,而且比第1種網絡生存期定義都有了極大提升。比較不同的傳輸策略可知:任意選擇中繼節點和選擇剩余能量最大的中繼節點策略,未考慮信道狀況,獲得了最小的網絡生存期;選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略,綜合考慮了兩跳的信道狀況,在第2種網絡生存期定義下獲得了最大的網絡生存期。原因在于:在第2種網絡生存期定義下,網絡生存期取決于每一跳的能耗情況,此時所有節點的能量被充分利用,因此,網絡資源利用率極高。

圖5 網絡生存期與傳感器初始能量的關系曲線2

圖6給出了第2種網絡生存期定義下網絡生存期隨中繼節點數量的變化曲線。不同于圖3,第2種網絡生存期的定義充分利用了每一節點的能量,因此任意選擇中繼節點和選擇剩余能量最大的中繼節點策略隨著中繼節點的增加也帶來了網絡生存期的提升,但是由于未考慮信道狀況,兩者的網絡生存期相較其他策略最小。而此時選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略,充分考慮了兩跳的信道狀況,因此其網絡生存期最大。在第2種網絡生存期定義下,網絡生存期會隨著中繼節點的增加近似線性增長,大幅提高了網絡性能。

圖6 網絡生存期與中繼節點數的關系曲線2

圖7給出了平均損失能量隨中繼節點數量的變化曲線。從中可以看到,根據第2種網絡生存期的定義,網絡“死亡”時,所有傳感器節點的能量得到了充分利用,因此網絡平均損失能量小于單節點初始能量的一半。在所有策略下,該曲線都有隨中繼節點數量的增加略有下降又略有上升的趨勢,而且當中繼節點數較小時,選擇剩余能量最大的中繼節點策略的平均損失能量在所有策略下最小。

圖7 平均損失能量與中繼節點數的關系曲線2

4 結束語

本文分別從主節點和整個網絡的角度給出2種無線體域網網絡生存期的定義,并結合兩跳的信道狀況以及節點的剩余能量,提出4種中繼選擇策略。仿真結果表明,第2種網絡生存期的定義充分利用了網絡中傳感器節點的能量資源,并且選擇兩跳信道增益之和最大的傳輸策略可以使網絡生存期達到全局最優。本文的分析結果對無線體域網的系統設計和節點布局具有一定的參考意義。下一步工作是將中繼協議納入到網絡生存期優化中,考察不同的中繼協議對網絡生存期的影響。