一種可靠的無線體域網(wǎng)跨層機(jī)會主義路由協(xié)議

高 翔，甘昕艷，凌澤農(nóng)，張翼鵬

（1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院，廣西南寧 530200；2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，廣西南寧 530200）

無線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN）是一種在醫(yī)療領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代通信技術(shù)[1]。WBAN 通過傳感器感應(yīng)身體不同部位的生理特征，并通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）相比，無線體域網(wǎng)具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量少和傳輸功率低等特點(diǎn)，在應(yīng)用上應(yīng)盡量減少干擾和對健康的影響[2]?？煽客ㄐ攀菬o線體域網(wǎng)中最重要的系統(tǒng)性能特征[3-4]。文獻(xiàn)[4]討論了WBAN 的可靠性問題，人體會使無線信號產(chǎn)生多種變化，并可能降低WBAN 的性能[5]。

利用中繼節(jié)點(diǎn)將源數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)[6-11]是一種提高WBAN 可靠性的方法。該文提出一種可靠的無線體域網(wǎng)跨層機(jī)會主義路由協(xié)議（Cross-Layer Opportunistic Routing,CLOR），該協(xié)議通過選擇源節(jié)點(diǎn)周圍剩余能量最高且最接近匯聚節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，從而達(dá)到提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性的效果。仿真結(jié)果表明，CLOR 協(xié)議在可靠性、能量效率、端到端（ETE）傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)生命周期等方面都有了明顯的提升。

1 無線體域網(wǎng)跨層機(jī)會主義路由協(xié)議

1.1 CLOR協(xié)議概述

CLOR 協(xié)議采用RTS-CTS 的四路握手機(jī)制。協(xié)議的完整分組交換順序如圖1 所示。如果信道空閑，則源節(jié)點(diǎn)首先等待DIFS（Distributed Inter-Frame Spacing），然后再傳輸RTS 數(shù)據(jù)包。如果信道繁忙，則源節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個時隙來執(zhí)行退避，在等待DIFS 時間結(jié)束之后，源節(jié)點(diǎn)廣播一個RTS 數(shù)據(jù)包，并等待τw的響應(yīng)時間，τw滿足的條件如式（1）所示：

圖1 RTS/CTS握手機(jī)制

式中，τw表示源節(jié)點(diǎn)等待CTS 應(yīng)答的時間間隔，τtx(RTS)與τtx(CTS)分別表示RTS 和CTS 包的傳輸時間，slot×τs為競爭時間，τd(max)為τd的最大值，τp(RTS)與τp(CTS)分別是RTS 與CTS 包的傳輸時延。

為了響應(yīng)CTS 包，源節(jié)點(diǎn)的所有相鄰節(jié)點(diǎn)采用一種基于計時器的機(jī)制進(jìn)行競爭，協(xié)議將τd定義為節(jié)點(diǎn),試圖訪問發(fā)送CTS 包通道后的延遲時間，具有最小τd值的節(jié)點(diǎn)將獲得訪問權(quán)，τd值取決于剩余能量與接收信號的強(qiáng)度。在式（2）中，通過計算得到所有相鄰節(jié)點(diǎn)中被選為最佳中繼節(jié)點(diǎn)的τd值。

式（2）中，me表示節(jié)點(diǎn)剩余能量的度量，my表示接收信號強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indicator,RSSI）的度量，τd為兩種度量之和。

CTS 競爭時序圖如圖2 所示，可知τd的大小介于t1與t2之間，當(dāng)信道空閑時，競爭節(jié)點(diǎn)將在τd之后發(fā)送CTS。如果信道繁忙，節(jié)點(diǎn)通過在t2與t3之間選擇一個隨機(jī)時隙來執(zhí)行退避。這個退避間隔的最大值可以是競爭窗口(CW)的大小與時隙時間τs的乘積。時隙的使用類似于時隙ALOHA，節(jié)點(diǎn)只能在時隙開始時發(fā)送數(shù)據(jù)包[12]。

圖2 CTS競爭時序圖

剩余能量度量me如式（3）所示：

式中，ei與er分別表示節(jié)點(diǎn)的初始能量與剩余能量，we為一個0～1 之間的常數(shù)，可以按照me的優(yōu)先級進(jìn)行調(diào)整，以確保τd小于τw，從而保證可以滿足式（1）。me的值與節(jié)點(diǎn)剩余能量成反比，這意味著剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)τd值較低，所以剩余能量較高的節(jié)點(diǎn)將被選為中繼節(jié)點(diǎn)。

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是具有相同傳輸功率的體-前端傳感器。此外，所有節(jié)點(diǎn)都在匯聚節(jié)點(diǎn)的傳輸范圍內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)周期性廣播beacon 數(shù)據(jù)包[13]。使每個節(jié)點(diǎn)都記錄有信標(biāo)包的RSSI 值。

更靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)有更高的機(jī)會發(fā)送CTS 包。來自源節(jié)點(diǎn)的RTS 包中包含了它從匯聚節(jié)點(diǎn)接收的beacon 包的RSSI 值。中繼節(jié)點(diǎn)將該值與從匯聚節(jié)點(diǎn)接收的beacon 本身的RSSI 值進(jìn)行比較。如果滿足式（4），則該節(jié)點(diǎn)可被選為中繼節(jié)點(diǎn)，從而保證數(shù)據(jù)向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸[13]。

式中，yrelay表示中繼節(jié)點(diǎn)接收到的beacon 包的RSSI 值，ysource表示源節(jié)點(diǎn)接收到的beacon 包的RSSI值。如果式（4）滿足，則RSSI的度量表示如（5）所示：

式中，pprt表示數(shù)據(jù)包接收功率閾值，yRTS表示中繼節(jié)點(diǎn)處的RTS 包的接收信號強(qiáng)度值。wy為一個大小在0～1 之間的常數(shù)，可根據(jù)τd的值進(jìn)行調(diào)整，并保證τd小于τw，從而保證可以滿足式（1）。my的值與yRTS成正比，表示遠(yuǎn)離源的中繼節(jié)點(diǎn)的τd值較小。因此，協(xié)議將選擇靠近接收器的節(jié)點(diǎn)，減少源節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)。

由式（2）得出，具有最高剩余能量和更接近匯聚節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)，即τd最小的節(jié)點(diǎn)將被選為中繼節(jié)點(diǎn)。

第一個發(fā)送CTS 數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)贏得訪問權(quán)。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)接收到這個CTS 數(shù)據(jù)包時，它們會進(jìn)入休眠狀態(tài)，休眠時間由網(wǎng)絡(luò)分配向量值（NAV）決定。源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包通過中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，并返回一個ACK 包。

1.2 信道模型

該文采用IEEE 802.15.6 Channel Model(CM)3A[14]作為信道模型，該模型如式（6）所示：

式中，L(d)表示路徑為d的路徑損耗，a，為環(huán)境常量，Nσ表示標(biāo)準(zhǔn)差為σ的零均值高斯分布隨機(jī)變量。

1.3 性能指標(biāo)

數(shù)據(jù)包投遞率（PDR）：匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)與源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)之比，在此可以作為可靠性的性能指標(biāo)。

端到端傳輸時延（ETE）：從源節(jié)點(diǎn)生成數(shù)據(jù)包到匯聚結(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包的時間差[15]。

網(wǎng)絡(luò)生命周期：網(wǎng)絡(luò)中第一個節(jié)點(diǎn)消耗其所有能量的時間。

能量效率：每比特所用能量的倒數(shù)，即匯聚結(jié)點(diǎn)接收到的每比特所用的平均能量。

2 性能仿真

2.1 仿真參數(shù)

仿真時只考慮體前與體表傳感器來研究WBAN，但手、耳和肩膀處的節(jié)點(diǎn)可能具有與身體后部任何節(jié)點(diǎn)通信的能力，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示[16]。匯聚節(jié)點(diǎn)為位于身體中心的節(jié)點(diǎn)0，能量消耗根據(jù)無線信號所處的狀態(tài)進(jìn)行計算，如表1 所示。使用基于OMNeTT++框架的Castalia 作為仿真工具[17]，仿真模擬參數(shù)如表2 所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)在人體上的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表1 能耗計算

表2 仿真模擬參數(shù)

為了研究不同有效載荷大小的影響，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?2 個節(jié)點(diǎn)組成，如圖3 所示。每個節(jié)點(diǎn)既是源節(jié)點(diǎn)，也可以充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)。在不同數(shù)量節(jié)點(diǎn)的仿真設(shè)置中，將四個源節(jié)點(diǎn)分別放置在網(wǎng)絡(luò)中手、耳、踝和頭的位置。然后，將潛在的中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加為0、2、4、6、8。物理層參數(shù)根據(jù)IEEE802.15 Group Task 6 提出的窄帶無線信號特性進(jìn)行選擇，并假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)都是靜態(tài)的。

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)生命周期

圖4 描述了網(wǎng)絡(luò)生命周期隨有效載荷、節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化情況。從圖4（a）可知，當(dāng)有效載荷增大時，與SOR 相比，CLOR 的網(wǎng)絡(luò)生命周期有所提高。這種改進(jìn)是因為CLOR 選擇了具有更高剩余能量的中繼節(jié)點(diǎn)。而圖4（b）顯示了節(jié)點(diǎn)數(shù)對網(wǎng)絡(luò)生命期的影響。圖4（b）的數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)絡(luò)生命期隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而減少。CLOR 的網(wǎng)絡(luò)生命期高于SOR。由于CLOR選擇了具有高剩余能量的中繼節(jié)點(diǎn)，改善了功耗負(fù)載劃分，因此，與SOR 相比，CLOR 的網(wǎng)絡(luò)生命周期更長。

2.2.2 數(shù)據(jù)包投遞率

數(shù)據(jù)包投遞率如圖5 所示。從圖5（a）可知，兩種算法的數(shù)據(jù)包投遞率隨有效載荷的增加而呈下降趨勢。與SOR 相比，CLOR 的數(shù)據(jù)包投遞率更高，原因在于CLOR 算法采用了基于計時器的中繼節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，減少了隨機(jī)選擇中繼節(jié)點(diǎn)所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)包丟失。圖5（b）繪制了PDR 隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的變化曲線。從圖中可知，數(shù)據(jù)包投遞率隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而上升。CLOR 的數(shù)據(jù)包投遞率更高，原因在于CLOR 基于計時器的中繼節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，能確保數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)。CLOR 的中繼節(jié)點(diǎn)更接近源節(jié)點(diǎn)且具有更高的剩余能量，避免了朝遠(yuǎn)離匯聚節(jié)點(diǎn)方向傳輸或?qū)⑹У墓?jié)點(diǎn)選作中繼節(jié)點(diǎn)。因此，與SOR 相比，CLOR 提高了可靠性。

圖5 數(shù)據(jù)包投遞率

2.2.3 數(shù)據(jù)包投遞率

圖6 顯示了有效載荷、節(jié)點(diǎn)數(shù)對端到端傳輸時延的影響。從圖6可知，CLOR的傳輸時延遠(yuǎn)低于SOR協(xié)議，并且隨著有效荷載與節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，CLOR 算法端到端傳輸時延的優(yōu)勢越發(fā)明顯。這主要是因為在CLOR 算法中，數(shù)據(jù)總是向匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸，并且通過選擇靠近匯聚節(jié)點(diǎn)的中繼節(jié)點(diǎn)，使傳輸跳數(shù)最小化，進(jìn)而減少了傳輸?shù)臅r延。

圖6 端到端傳輸時延

2.2.4 能量消耗

圖7 顯示了SOR 與CLOR 兩種算法中每比特數(shù)據(jù)能量消耗的情況。從圖7（a）可知，當(dāng)增加有效載荷大小時，每比特消耗的能量增加。隨著有效載荷的增加，CLOR 的單位能耗低于SOR。這主要得益于CLOR 在中繼節(jié)點(diǎn)選擇中采用了高剩余能量的機(jī)制。圖7（b）顯示了隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，每比特消耗能量的增加。節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加會導(dǎo)致總能耗增加，從而增加每比特數(shù)據(jù)的能耗。由于SOR 沒有采用能量度量的中繼節(jié)點(diǎn)選擇機(jī)制，因此與CLOR 相比，節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加會導(dǎo)致更高的總能耗。CLOR 中接收的數(shù)據(jù)包總數(shù)較SOR 多，也降低了CLOR 的單位能耗，使CLOR 的能量效率更高。

圖7 每比特消耗能量

3 結(jié)論

該文提出了一種WBAN 中基于定時器方法的CLOR 協(xié)議。在CLOR 中，剩余能量和RSSI 指標(biāo)的組合被用來選擇中繼節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果分析了有效載荷大小和節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化造成的影響。結(jié)果表明，與SOR 相比，CLOR 在可靠性、能量效率、ETE 端到端傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)生命周期等方面都有了大幅的提升。