一种面向无线体域网的功率优化路由算法

彭 艺，张 耸

(昆明理工大学 信息工程与自动化学院，云南 昆明 650500)

随着无线体域网(Wireless Body Area Network, WBAN)[1]技术的逐渐成熟，其在公共医疗，体育运动等方面具有广泛的应用前景。无线体域网具有多跳、自组织，自主配置的特点[2]，其节点一般为电池供电，故能量有限[3]。此外，WBAN的链路是无线信道，加之人体的运动是难以预知的，从而导致信道的质量是处于随之变化的状态[4]。文献[5]通过对已有节能策略的分析，得出如何部署转发节点位置是减少能耗的关键。文献[6]提出了自适应睡眠调度的路由算法，可以一定程度降低处于睡眠或者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]提出的节能策略都未涉及节点功率变化对体域网能量损耗的影响。因此，有必要以节点功率为主要控制因素，对WBAN的能耗进行深入研究。

本文在原有AODV算法的基础上，以延长无线体域网的生存期为目的，设计了一种基于功率控制的能耗优化算法PC-AODV。该路由根据WBAN的实时状态，动态调节节点的发射功率和传输路径，能够最大限度利用节点的能量，有效延长网络生存期，并通过Matlab进行仿真验证。

1 系统模型

1.1 无线体域网节点发射功率分析

无线体域网中，在确保信息准确传递的前提下，可以通过调节传感器节点的发射功率，来满足不同的传输半径，同时将能量消耗降到最小[7]。假定体域网中有n个节点，其传输的数据信息为k位，与下一个传输节点的距离为d,则发射节点的能量消耗可以表示为[8]

Pt(k,d)=k×pelec+k×pfs×d2

(1)

同时，接收节点的能量消耗值为

Pr(k)=k×Pelec

(2)

其中，Pelec=50 nJ/bit，Pfs=10 pJ/bit/m2，d0=100 m,Pamp=0.001 3 pJ/bit/m4，Pda=5 nJ/bit/signal。

在无线体域网的实际应用中，选择较为可靠地传输链路，尽可能减少数据传输的跳数，能够大幅度提高数据传输的成功率。如果链路稳定性差，则信息传输失败的概率将会升高；如果发射功率保持固定不变，传输距离不同，可能出现信息传递下一跳失败的情况，这都会导致网络资源的使用效率降低[9]。

2 链路稳定性数学建模

无线体域网传输路径的稳定性和节点的连接方式受多种因素的影响[10]。例如节点自身的能量，信道干扰，外界环境和链路相关性等。主要研究无线体域网的能量利用率及传输链路结构对路径稳定性的影响[11]。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：(1)链路独立多径路由，指传输路径间有共用的节点但是没有共用的链路[12]，如图1所示；(2)节点独立多径路由，指传输路径除了源节点和目的节点外，没有共用的节点或传输链路，各条路径之间是相互独立的[12]，如图2所示。

图1 链路独立型多径路由

图2 节点独立型多径路由

针对以上提到两种路由模型，对其传输链路发生断裂的概率进行比较。用P(0≤P≤1)来表示每个节点发生故障的概率，令Ai,Bi和Ci,Di分别为链路独立性多径路由和节点独立性多径路由路径上的节点，P0表示节点独立性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。节点独立性路由的传输路径中没有共用的节点，其链路断裂的概率，如式(3)所示。

P0=[1-(1-P)n][1-(1-p)m]

(3)

当链路独立性路由在传输路径中含有一个共用的节点时，其链路断裂的概率，如式(4)所示。

P1=[1-(1-p)n-1][1-(1-p)m-1]

(4)

对这两条路径的稳定性进行比较，如式(5)所示。

f1(p)=P1-P0=p[1-(1-p)n-1-(1-p)n-1+(2-p)(1-p)n-1(1-p)m-1]≥p[1-(1-p)n-1][1-(1-p)m-1]≥0

(5)

即P1≥P0，从而得出结论：节点独立性路由的稳定性比只有一个共用节点的链路独立性路由高。

当链路独立性路由的传输路径中有k(k≥2)个共用的节点时，其链路断裂的概率，如式(6)所示。

Pk=[1-(1-pn-k)][1-(1-p)m-k]+kp

(6)

下面对拥有一个和k个共用节点的路由，进行稳定性比较

(7)

即Pk≥P1≥P0，结果表明：(1)对于链路独立性路由，在其传输路径中，如果共同使用的节点数目越多，其链路出现故障的概率越高，稳定性就越差；(2)节点独立性链路出现故障的概率小于链路独立性链路，则节点独立性路由稳定性较高。所以本文研究的路由均采用节点独立的路由模型，可以最大程度的提高体域网传输链路的稳定性，减少节点能量的消耗。

3 基于功率控制的PC-AODV路由算法

在无线体域网中，节点自身能量有限是影响网络正常工作的关键因素[13]。因此，减少能耗为选择传输路径的重要标准之一[14]。构造一个最佳网络性能函数F(P)，此函数作为路径选择的依据，将能耗值最小的路径选出，并定为传输的最佳路径。

令α,β分别表示路径i中节点发射功率所占比重和节点的能量剩余所占比重，θ表示路径跳数在总能耗函数中所占的比重，其中满足0<α<0.2，0.2<β<1，0.2<θ<1且α+β+θ=1。由于PC-AODV算法将节点的发射功率作为路径选择时的主要考虑因素，并需要保证最小的能耗值，因此所占的权重相比于其他两项应该明显偏低。

设定链路i中节点的发射功率为Eim，节点的剩余能量为Rim，传输路径到达目的节点的所经历的跳数为Him，则传输链路中节点m的网络性能函数定义为f(pim)

(8)

(9)

(10)

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[15]，对其能耗值进行比较，选择能耗值最小的链路作为最终传输链路。

F(p)=min{Wi|1≤i≤n}

(11)

4 仿真分析

基于Matlab进行仿真分析，生存期定义为无线体域网从开始工作到节点能量被耗尽的时间，该仿真主要实现相同条件下，节点剩余能量和网络生存期的比较。由于AODV是一种按需路由协议，相比于功率控制的PC-AODV路由算法，节点发送相同的数据量，所损耗的能量相对较多。

图3描述了使用AODV算法和PC-AODV算法的某个节点剩余能量随时间的变化情况，初始能量为100 mJ。其中PC-AODV路由算法在初始阶段能够最大限度确保能量的高效使用，开始后250 s能量没有明显消耗,较AODV算法延后150 s,即体域网工作前期，改进算法能够有效避免不必要的能量损耗。此后，PC-AODV路由节点剩余能量仍明显高于AODV路由算法，且当AODV协议节点能量耗尽时，改进算法仍可以高效工作，其生存期较原来延长3/8，节点能量得到充分利用，体域网的生存期得以有效延长。

图3 剩余能量随时间的变化

图4描述了AODV算法和PC-AODV算法网络生存期的对比变化情况。在相同节点数目的前提下，PC- AODV算法相对AODV能够有效延长网络的生存期，且体域网节点密度越大，节点间距离越小，节点传输所需功率越小，其能耗相对较小，网络生存期就会越长。当节点能量耗尽时，传输路径的路由表会将该点删除，选择可以传输的节点作为下一跳节点，此时动态调节功率的优势明显，网络生存期相应延长。

图4 网络生存期随节点数目的变化

5 结束语

无线体域网作为无线传感网在医疗领域的具体应用，具有非常大的发展前景。本文在按需路由AODV算法的基础上提出了改进的路由算法PC-AODV，是一种适合WBAN的能耗优化路由算法。在链路稳定性较高的节点独立的路由前提下，尽量选择路由跳数少、剩余能量丰富且不包含能量耗尽的节点的路径，以功率作为主要控制因素，动态调节功率对传输路径进行优化。通过仿真得出，PC-AODV算法在数据传输时能够充分利用网络中的资源，减少能量损耗，在一定程度上提高网络的生存期，能够充分体现改进算法的性能优越性。本文虽然提出了低功耗的路由优化算法，但是造成了传输时延和计算复杂度的增加，如何解决此类问题为下一步的研究内容。