基于网络编码的体域网可靠数据传输方法研究

李燕香 曹小凤

摘  要：随着电子技术的迅速发展，以能够检测及采集人体生理数据、应用于健康监控、医疗保健、体育竞技等领域的体域网应用越来越广泛。但是由于人体姿态处于不停移动变化中，无线体域网的网络环境很不稳定，数据传输的可靠性较低。针对这一问题，本文引入网络编码技术，以简化的网络拓扑为模型提出一种基于网络编解码的中继算法，并分析了该算法的网络传输可靠性。最后，以丢包率作为网络可靠性衡量指标，仿真结果表明：该算法与传统的数据传输算法相比，在一定程度上提高了数据传输的可靠性。

关键词：无线体域网;网络编码;数据可靠传输

中图分类号：TP393     文献标识码：A

Abstract：With the rapid development of electronic technology，Body Area Network （BAN） has been widely used in detecting and collecting human physiological data，health monitoring，health care，sports and other fields.However，because the human body posture is constantly changing，the network environment of Wireless Body Area Network （WBAN） is very unstable，and the reliability of data transmission is low.In order to solve this problem，this paper introduces network coding technology and proposes a relay algorithm based on network coding and decoding，taking simplified network topology as a model，and analyses the reliability of the algorithm in network transmission.Finally，the packet loss rate is used as a measure of network reliability.The simulation results show that the proposed algorithm improves the reliability of data transmission to a certain extent compared with traditional data transmission algorithms.

Keywords：Wireless Body Area Network （WBAN）;network coding;reliable data transmission

1   引言（Introduction）

無线体育网（Wireless Body Area Network，WBAN）是一种特殊的无线传感器网络。它是由穿戴在人体表面或者移植在人体内部的用于收集人体生理参数的传感器及信息处理中心组成[1，2]。体域网通过检测人体生理数据，在远程医疗，帮老助残，目击者救护等诸多领域医用广泛[3]。然而，随着人体姿势的变化，体域网的拓扑结构是一个实时变化的网络，节点之间的通信质量较差，如何提高体域网节点之间通信的可靠性，有着重要的研究意义。

本文将网络编码技术应用到无线体域网的数据传输过程中提高数据传输可靠性。文献[4]将网络编码应用于无线Ad Hoc网络;文献[5]通过实验数据验证了将无线广播特性与网络编码结合对数据传输可靠性的提高;文献[6]提出一种基于网络编码的多路径可靠传输策略;但是将网络编码应用到体域网的研究相对较少，是一个较新的研究方向。

2  基于BAN网络编码算法（BAN-based network

coding algorithm）

2.1   网络模型

本文采用六个源节点，两个中继节点，一个汇聚节点的网络拓扑模型模拟多中继无线体域网网络模型，如图1所示。

为了提高数据传输的可靠性，对中继节点接收到的数据包进行网络编码，并在汇聚节点对数据包进行解码操作，同时对数据包进行去重复操作。

2.2   编码算法

用结合U表示中继节点接收到的数据包集合，用集合C表示编码后的数据包集合，。编码方式如下[7]：

2.3   解码算法

汇聚节点接收到来自中继节点的编码数据包（用表示这些数据包的Data字段）后，将其放置在矩阵D{n，n}中，n为传感器节点个数，矩阵D如下所示。

3   实验分析（Experimental analysis）

本文将不能被成功解码的数据包视为数据包丢失，并以数据包的丢失率（Packet Loss Rate，PLR）作为网络的可靠性的衡量。采用蒙特卡洛方法，与其他两种数据传输机制对比，在不同误码率（Bit Error Rate，BER）、数据包错误率（Packet Error Rate，PER）下，对比网络PLR，验证了本文提出的算法能够对数据可靠传输带来一定的改善。

Comparing Algorithm1：将数据直接以单链路机制发送到汇聚节点。

Comparing Algorithm2：冗余传输机制。任何数据包都发送两次。

4   结论（Conclusion）

本文针对体域网网络环境不稳定，数据传输可靠性低的问题提出一种基于网络编码的编解码算法提高数据传输可靠性，并通过与传统网络传输机制对比，通过仿真模拟实验验证了本算法对数据传输可靠性有一定的改善。

参考文献（References）

[1] Wang Y D，Liu Y.Analysis and Comparison of WSN Routing Protocols Oriented to WBAN[J].Applied Mechanics and Materials，2012（241-244）：952-955.

[2] Sun F，Liu Y，Xurigan S，et al.Research of Clothing Sales Prediction and Analysis Based on ID3 Decision Tree Algorithm[C].2015 International Symposium on Computers and Informatics，2015.

[3] Yessad N，Omar M，Tari A，et al.QoS-based routing in Wireless Body Area Networks：a survey and taxonomy[J].Computing，2017.

[4] Asterjadhi A，Fasolo E，Rossi M，et al.Toward network coding-based protocols for data broadcasting in wireless ad hoc networks[J].IEEE Transactions on Wireless Communications，2010，9（2）：662-673.

[5] 蒋莹，吴蒙.WSN基于网络编码数据传输可靠性研究[J].计算机技术与发展，2013（4）：148-150.

[6] 陈书阳，冯海林.多路径网络编码的传输可靠性提高策略[J].四川大学学报，2018，55（4）：712-718.

[7] Marinkovic S，Popovici E.Network coding for efficient error recovery in wireless sensor networks for medical applications[C].Emerging Network Intelligence，2009 First International Conference on.IEEE，2009：15-20.

[8] 朱晓娟，陆阳，邱述威，等.无线传感器网络数据传输可靠性研究综述[J].计算机科学，2013，40（9）：1-7.

[9] 刘毅，宋余庆.无线体域网技术研究[J].小型微型计算机系统，2013，34（8）：1757-1762.

[10] 李燕香.基于網络编码的BAN数据可靠通信方法研究[D].吉林大学，2016.