面向无线体域网的能耗控制路由算法研究

彭艺+张耸

摘要：无线体域网传感器节点的能量是有限的，如何优化体域网的路由选择，降低网络能耗成为无线体域网路由算法设计的关键。目前，常用于无线体域网的动态源路由算法DSR虽能够顺利完成数据传递，但存在能耗较高的问题。因此，在DSR的基础上，提出了一种基于能耗控制的路由算法ECC-DSR。该路由算法采用节点独立性传输链路，并综合考虑路由路径跳数、节点发射功率与剩余能量，动态调整路由，从而使路由在传输数据时可以充分利用网络中的资源。仿真结果表明，ECC-DSR协议能够降低无线体域网的能耗，延长网络生存期。

关键词：无线体域网；节点独立性；能耗控制；网络生存期

DOIDOI：10.11907/rjdk.172036

中图分类号：TP312

文献标识码：A 文章编号：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

隨着无线传感网在医疗系统、健康护理等领域的广泛应用，无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）[1]逐渐进入大众视野。然而，传感器节点应用于医学会面临能量受限问题，所以如何节能成为WBAN中首先需要考虑的问题。

从根本上看，无线体域网是无线传感器网络的一种，具有多跳、自组织、自主配置的特点[2]，应用场景具有特殊性；节点供电来源一般为电池，电池电量有限，所以能量会受到一定限制[3]；体域网的链路是无线信道，加上人体运动难以预知，导致信道质量处于随时变化的状态[4]；另外，节点应用场景不同，节点重要性也会有所不同。因此，以无线体域网的独有特征为出发点，如何设计能量较为高效的路由协议是构造无线体域网的重点。

目前，大量文献研究了无线体域网的可靠路由，而鲜有文献研究如何以能耗为标准进行路径选择。文献[5]针对节点能量受限问题，根据已有研究，分析总结了物理层、MAC层和网络层已有的节能策略；文献[6]研究设计了自适应睡眠调度的自适应路由算法，在确保节点进入信道时能够有同等机会的前提下，最大程度地降低处于睡眠或功率较低状态下节点的能量消耗，从而使体域网的生存期得以延长。文献[5]、[6]提出的节能策略，只能在一定程度上减少能耗。

因此，本文首先分析现有的DSR路由算法（Dynamic Source Routing），然后在原有算法上，以应用无线体域网的场景为出发点，设计一种基于能耗控制的路由算法ECC-DSR（Energy-Consumption-Control DSR）。该路由算法针对最大限度延长WBAN生存期问题，综合考虑了体域网节点传递数据时的发射功率、传输过程中路径节点剩余能量等影响因素，动态调整路由方法，尽可能确保在数据传输时，最大程度地利用能量资源，减少能量浪费，从而延长网络生存期，提高无线体域网的使用效率。最后，采用Matlab软件进行仿真，分析比较了ECC-DSR和DSR路由算法。

1 系统模型

1.1 无线体域网

无线体域网的系统组成如图1所示[7]。系统可以采集血压、指脉、呼吸等人体各项生理参数，采集到的数据信息由置于身体上的传感器节点进行传输，汇聚后通过蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）和通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）等方式将实时数据发送至个人服务器[8]，并通过网络实现与远程医疗服务、医疗支持和医疗数据库的连接，以保证对穿戴人员的实时生理状况进行可靠检测，从而提供最及时、有效的措施[9]。

1.2 无线体域网节点能耗分析

在无线体域网的实际应用中，在最佳状态时尽可能减少数据传输跳数，可使传输成功率得以大幅提高。鉴于此，动态调节节点发射功率变得尤为重要。如果发射功率保持固定不变，在不同的传输距离下，势必造成能量浪费，导致网络使用效率降低。为了提高体域网的能量使用效率，延长生存期，在保证数据可以准确接收的前提下，尽可能减小发射节点的发射功率，既可以减少能量浪费，还能一定程度上提高传输信道的空间复用度[10]。

如图2所示，无线体域网在进行数据传输过程中，每个节点会在固定的时间间隔内向上下跳节点传送一条命名为HELLO的数据信息，并请求接收端答复。当收到答复时，接收端会依据距离上一跳和下一跳的距离，对其发射的功率进行动态调整，以确保信息的顺利传递。然而，如果发送端未接收到来自接收端的数据回应，便会发送一个命名为ERROR的数据信息给上下跳节点，以此在路由中表达节点数据发送中断的消息。路由表中，处于该位置的中继节点继而会删除下一跳内容，然后利用路由发现功能，寻找可以继续传输的路由。

2 链路稳定性数学建模

无线体域网传输路径的稳定性和各节点相互连接的方式受多种因素影响[11]，例如节点自身具有的能量、传输信道中受到的干扰、所处的外界环境和鏈路相关性等，本节主要研究无线体域网的能量利用率以及传输链路结构对路径稳定性的影响[12]。通过查阅节点相关性的有关内容，多径路由可以分成两种，即节点独立多径路由和链路独立多径路由[13]。

（1）链路独立多径路由，指传输路径间有共用节点，但是没有共用链路[14]。如图3所示，源节点A到目的节点Z之间存在相交链路，相交节点为H。

（2）节点独立多径路由，指传输路径除源节点和目的节点外，没有共用的节点或传输链路，各条路径之间相互独立[14]。如图4所示，源节点A到目的节点Z之间不存在相交路径。

针对链路独立多径路由模型和节点独立多径路由模型，对传输链路发生断裂的概率进行比较。用p（0≤p≤1）表示每个节点发生故障的概率，令Ai、Bi和Ci、Di分别为链路独立多径路由和节点独立多径路由路径上的节点，P0表示节点独立路由发生故障的概率，P1表示链路独立路由发生故障的概率。

其中，Pr（d）表示接收节点收到距离为d的节点发送信息的信号强度，Pt表示每一个发射节点发送信息时的功率，d表示两节点之间的距离，ε表示传输路径中的能量损耗指数，其取值受外界环境影响。

本文主要考虑节点的发射功率、剩余能量和跳数，在选择最终路由拓扑结构时，综合考虑3方面因素，选择一条路由代价最小的路径是本算法的核心思想。被选择的路径具有路径剩余能量相对较高、节点发射功率合适和跳数相对较少的特点，并且能够均衡网络能量，最大程度上节省网络能量，减少网络延迟和数据包丢失等，下面描述如何将这3个因素统一起来。当源节点到目的节点具有多条可达路径时，剔除其中含有需要保护的节点路径，然后在可用的路由路径中，综合考虑节点发射功率、节点剩余能量和路径跳数3大因素选择路径能耗最小的路径。

其中，α、β分别表示路径i中节点发射功率和节点能量剩余所占比重，θ表示路径跳数在总能耗函数中所占比重，其中满足0≤α≤0.2，0.2<β<1，0.2<θ<1且α+β+θ=1。由于节点的发射功率是路径选择时考虑的最主要因素，需要算法进行动态调节，并且是求最小能耗函数，因此所占权重相比于其它两项应该明显偏低。

路由请求回应的信息到达传输路径的源节点后，节点会对路径上n条接收到的路由请求进行回应，对其消耗的能耗值进行比较，选择能耗值最小的链路R为最终传输链路，如式（11）所示：

4 仿真分析

该仿真研究的是无线体域网的能量损耗，生存期定义为无线体域网从开始工作到有节点能量被耗尽的中间这段时间。由于DSR是按照最短路径选择路由，相比于采用节点独立性路由模型，并综合考虑节点发射功率、路由跳数和节点剩余能量的ECC-DSR路由算法，节点发送相同数据量，其损耗的能量相对较多。

图5描述了体域网中某个节点剩余能量的变化情况。初始能量都为100mJ，其中ECC-DSR路由协议动态控制节点发射功率，在前250s能量没有明显消耗，相比DSR协议多出150s。此后一段时间，ECC-DSR路由算法中节点的剩余能量明显高于DSR路由协议的剩余能量，DSR协议节点于400s时能量耗尽，ECC-DSR算法生存期延长了150s。

图6描述了DSR算法和ECC-DSR算法网络生存期的变化情况。在相同节点数目的前提下，ECC-DSR算法综合考虑了节点发射功率、剩余能量和路径跳数等因素，相比于DSR算法大大延长了网络生存期，并且当体域网节点密度越大时，网络生存期越长，效果越明显。

5 结语

本文在按需驱动型路由DSR基础上提出了改进的路由算法ECC-DSR，该路由协议是一种适合WBAN的节能路由协议，相比于DSR协议，在链路稳定性较高的节点独立性路由前提下，尽量选择路由跳数少、剩余能量丰富且不包含能量极少节点的路径。同时，在确保接收端正常接收的情况下，尽量降低发射功率，进行动态调节。最后通过仿真分析对比，该协议相比于现有的DSR路由协议，在数据传输时能够充分利用网络中的资源，网络生存期得到一定程度提高，体现了改进算法的优越性。

参考文献：

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[14] 郝建辉.面向智能电网故障监测的WSN动态功率控制多径路由策略研究[D].昆明：昆明理工大学，2015.

（责任编辑：黄 健）