一種IEEE 802.15.6 Two-Hop拓撲擴展轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇協(xié)議*

譚 勁,蔣文斌

(中國計量大學信息工程學院,杭州 310018)

IEEE 802.15.6[1]是一個支持無線體域網(wǎng)WBANs(Wireless Body Area Networks)的短距離、低功耗和高可靠性的無線通信標準,用于人體內(nèi)、表面和周圍傳感節(jié)點間的通信。WBAN是位于人體內(nèi)或外的傳感節(jié)點的集合,在Sink(網(wǎng)關(guān))節(jié)點的統(tǒng)一控制下,監(jiān)視人體周圍環(huán)境和身體本身的功能,并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生、護士、監(jiān)護人及其他機構(gòu)或組織[2]。考慮到人體感受的舒適性和方便性,WBAN中的傳感節(jié)點在重量和體積上比通用傳感網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)要求更加嚴格,節(jié)點電池大小的限制使得WBAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸比通用WSN要求更加能量有效[3]。由于人體不同姿勢、移動造成網(wǎng)絡(luò)條件的多樣性,再加上傳輸?shù)尼t(yī)學數(shù)據(jù)直接關(guān)系到病人的安全,所以WBAN必須提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸[4]。

IEEE 802.15.6標準推薦在WBANs中使用星形拓撲結(jié)構(gòu)或2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu),如圖1所示。由于人體運動和不同姿勢變換引起的陰影效應、周圍環(huán)境和人體組織對電磁波能量的吸收帶來的多徑效應等,會給WBANs帶來嚴重的信道衰落。在星形結(jié)構(gòu)中,增加節(jié)點傳輸功率和調(diào)整數(shù)據(jù)傳輸率是應對上面問題的可能解決方案,但增加傳輸功率會很快地耗盡電池能量,還有可能導致皮膚過熱。根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會比吸收率SAR(Specific Absorption Rate)要求,限制所有WBAN中的設(shè)備的發(fā)射功率在-10 dBm(0.1 mW)到0 dBm(1 mW)之間,這種限制會導致在Sink和傳感節(jié)點間有比較高的網(wǎng)絡(luò)中斷概率[5];在2-Hop的星形拓撲擴展中,數(shù)據(jù)源節(jié)點(圖1中的Relayed節(jié)點)為了節(jié)省能量而請求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(圖1中的Relaying節(jié)點,比Sink節(jié)點更靠近Relayed節(jié)點)幫助其傳輸數(shù)據(jù),Relayed節(jié)點通過監(jiān)聽其他節(jié)點的信息(ACK或T-Poll)來選擇一個Relaying節(jié)點。然而,IEEE 802.15.6標準沒有指明在2-hop的星形拓撲擴展中如何選擇Relaying節(jié)點的機制,帶來以下3個主要問題:

圖1 IEEE 802.15.6 2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu)

①最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇:Relayed節(jié)點選擇第1個響應ACK或T-Poll消息的中間節(jié)點作為Relaying節(jié)點,沒有考慮從不同多個候選節(jié)點中選擇最優(yōu)的問題[4],如圖1中,A、B、C是節(jié)點F的候選節(jié)點,F并不是從中選擇一個最優(yōu)Relaying節(jié)點;

②轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點重新選擇:在IEEE 802.15.6中,每個節(jié)點有不同的喚醒時間表。因此,Relayed節(jié)點一旦選擇了第1個Relaying節(jié)點,其喚醒時間就會與該Relaying節(jié)點同步,就不能改變選擇另外的節(jié)點作為Relaying節(jié)點[6]。如圖1中的F選擇了B作為Relaying節(jié)點后,不能再改選C了;由于轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點消耗更多的能量,降低了整個網(wǎng)絡(luò)的壽命。

③網(wǎng)絡(luò)可靠性:在已選定的Relaying節(jié)點能量耗盡的情況下,Relayed節(jié)點也沒有一種機制檢查自己是否還連接到網(wǎng)絡(luò),繼續(xù)向Relaying節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù),增加了包丟失率[5],降低了網(wǎng)絡(luò)可靠性。

1 相關(guān)工作

在WBANs中,研究證明采用多跳低功率傳輸比單跳傳輸更加可靠和能量有效[5]。有關(guān)Multi-Hop轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇在無線自組網(wǎng)[7]和無線傳感網(wǎng)絡(luò)[8]中進行了比較深入的研究;在WBANs轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇方面,Ahmed、Javaid等[9]提出一種鏈接感知的能量有效策略,選取高剩余能量和到Sink最小距離的節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點;文獻[10]根據(jù)到Sink節(jié)點的跳數(shù)、剩余能量和鏈接成本選取下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,降低了端到端延遲、包丟失率和整個系統(tǒng)能量消耗;文獻[11]將Sink節(jié)點放在人體的腰部,心電圖、血糖水平節(jié)點靠近Sink形成1-Hop通信,其他節(jié)點通過成本函數(shù)選擇的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行通信;Yousaf、Javaid等[12]提出了一種可靠和能量有效的三階段WBAN中的協(xié)同通信中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇策略,所有候選節(jié)點先接收數(shù)據(jù)源發(fā)出的數(shù)據(jù)包,然后根據(jù)鏈路情況,0或其中1個候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),不涉及最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇問題。

以上相關(guān)研究都是大于2-Hop數(shù)據(jù)傳輸中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇,不適用于2-Hop擴展的IEEE 802.15.6標準。針對802.15.6的2-Hop星形拓撲擴展結(jié)構(gòu),Kim、Cho等[4]提出了一種基于層次分析AHP(Analytical Hierarchy Process)的靈活轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇策略,當數(shù)據(jù)源Relayed節(jié)點釋放到Sink節(jié)點的直接連接時(意味它希望通過Relaying節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)而節(jié)省能量),發(fā)出一個發(fā)現(xiàn)候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的消息RelayNodeDiscovery,候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點收到該消息后,發(fā)出自己到Sink節(jié)點和到請求節(jié)點的平均信噪比AvgSNR(AverageSignal-to-Noise Ratio)、流量負載和剩余能量3個參數(shù)給請求節(jié)點;Relayed節(jié)點將這3個參數(shù)放入一張候選Relaying節(jié)點表中,然后根據(jù)層次模型和評估矩陣計算出一個最優(yōu)Relaying節(jié)點;該策略解決了上述3個問題中的問題(1),但未考慮節(jié)點k重新選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,同時Relayed節(jié)點的計算開銷較大。文獻[6]針對WBAN中每個節(jié)點有不同的喚醒時間表,提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點重新選擇策略。在該策略中,Sink根據(jù)候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的剩余能量和處于活動狀態(tài)的信息,選擇一個Relaying節(jié)點并給出該節(jié)點傳輸ACK或T-Poll消息的時間指示;數(shù)據(jù)源節(jié)點監(jiān)聽到Relaying節(jié)點的ACK或T-Poll消息后成為Relayed節(jié)點,該節(jié)點還可以改變其他候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點作為Relaying節(jié)點,但文獻沒有說明改變Relaying節(jié)點的條件和方法。文獻[13]修改了IEEE 802.15.6星形拓撲擴展,通過減少交換信息來延長網(wǎng)絡(luò)壽命,該方案假定Sink有能力直接傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點,也就是Sink節(jié)點向下傳輸數(shù)據(jù)不經(jīng)過Relaying節(jié)點,Relayed節(jié)點經(jīng)過Relaying節(jié)點向上(Sink方向)傳輸數(shù)據(jù)。這種增大Sink節(jié)點發(fā)射功率的方法有可能違反了美國聯(lián)邦通信委員會比吸收率SAR要求,也沒有考慮選擇最優(yōu)的Relaying節(jié)點。Cabacas、 Yang等[14]根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點自身剩余能量和到Sink的距離等參數(shù)構(gòu)成的低成本函數(shù),提出了一種能量有效的2-Hop傳輸優(yōu)化傳輸策略,前提假設(shè)是每個節(jié)點都能根據(jù)接收到的包信息,能夠計算出它自己到Sink節(jié)點和其他節(jié)點的距離,但該策略也沒考慮轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點重選和Relaying節(jié)點耗盡能量等問題。文獻[15]提出了一種IEEE 802.15.6 2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇算法,該算法根據(jù)節(jié)點的包丟失率、服務(wù)時間和重傳輸率能夠選出最優(yōu)的Relaying節(jié)點,但轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點重新選擇和Relayed節(jié)點不知道Relaying節(jié)點能量已耗盡的問題仍然存在。

最近的研究[5]利用節(jié)點的獨立載波偵聽周期,采用類似于協(xié)同通信的方式,提出了一種WBAN中2-Hop通信中的分布式轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點算法。當數(shù)據(jù)源節(jié)點給Sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)包時,Sink節(jié)點和候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點都試圖接收該數(shù)據(jù)包;如果Sink成功接收該數(shù)據(jù)包,就發(fā)出ACK消息,通信完成;否則,在數(shù)據(jù)源節(jié)點和接收了數(shù)據(jù)包的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點中,選擇一個Relaying節(jié)點重傳輸該數(shù)據(jù)包。該算法雖然可以選擇最優(yōu)且能量有效的Relaying節(jié)點,但它不是嚴格意義上的IEEE 802.15.6標準中2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu)通信(部分數(shù)據(jù)通過1-Hop傳輸)。

2 協(xié)議描述

我們提出了IEEE 802.15.6 2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇協(xié)議ORR,支持轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點最優(yōu)(Optimum)選擇和重新選擇(Re-selection),提高了可靠性(Reliability)。

圖2 RelayNodeDiscovery與RelayInfo消息

2.1 協(xié)議消息

在IEEE 802.15.6 2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu)中,對于請求的Relayed節(jié)點k,本身因能量受限(如植入體內(nèi)節(jié)點)而打算采用近距離低功耗通信,希望候選Relaying節(jié)點i具有好的鏈接質(zhì)量AvgSNRik和能提供更長的持續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)時間TmaxLenik,而文獻[4]中節(jié)點i的流量負載和剩余能量對請求的Relayed節(jié)點k來說意義不大,因為在不知道節(jié)點i和它已為轉(zhuǎn)發(fā)的其他節(jié)點的數(shù)據(jù)長度和產(chǎn)生頻率的情況下,準確計算出節(jié)點能夠提供給節(jié)點k的最長轉(zhuǎn)發(fā)時間TmaxLenik是比較困難的;同時在候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點較多的情況下,會帶來了比較大的計算開銷;最好的辦法是節(jié)點i自己提供TmaxLenik,因為節(jié)點i比k有更充足的能量且能節(jié)省通信開銷,使節(jié)點k選擇最優(yōu)Relaying節(jié)點簡單且能量有效;對Relaying節(jié)點i而言,希望知道請求Relayed節(jié)點k的數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率FDatak、請求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的長度LDatak及請求轉(zhuǎn)發(fā)的持續(xù)時間長度TreqLenk(AHP的RelayNodeDiscovery消息中未指明這些信息),結(jié)合自己和已為轉(zhuǎn)發(fā)的其他節(jié)點數(shù)據(jù)的能量消耗,在保留自己能量閾值EThresh的情況下,響應或不響應RelayNodeDiscovery消息;如果響應,給出能提供轉(zhuǎn)發(fā)的最長持續(xù)時間長度TmaxLenik,這里TmaxLenik≤TreqLenk;節(jié)點k根據(jù)候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點i發(fā)出的AvgSNRik和TmaxLenik建立一張表,然后從中選出一個最優(yōu)Relaying節(jié)點,TmaxLenik參數(shù)就可作為節(jié)點k重新選擇Relaying節(jié)點的依據(jù)。協(xié)議中的兩條消息RelayNodeDiscovery、RelayInfo如圖2所示。

①RelayNodeDiscovery消息

該消息由請求Relayed節(jié)點k廣播并設(shè)置計時器DiscoveryTimer,包含該節(jié)點的IDk、FDatak、LDatak及TreqLenk;前3個參數(shù)是節(jié)點自己的屬性,TreqLenk可以根據(jù)發(fā)送單位數(shù)據(jù)消耗的能量ErunDatak、剩余能量Erestk和FDatak計算。

TreqLenk=Erestk/(FDatak·LDatak·ErunDatak)

(1)

②RelayInfo消息

該消息由候選Relaying節(jié)點i單播給請求節(jié)點k,包含節(jié)點i自己的IDi,AvgSNRik和TmaxLenik。

AvgSNRik的計算同文獻[4],其表達式由式(2)給出:

(2)

(3)

(4)

(5)

TmaxLenik=TreqLenk

(6)

否則:

(7)

2.2 協(xié)議算法

本協(xié)議算法分為兩部分,即Relayed節(jié)點和Relaying 節(jié)點協(xié)議。

①Relayed節(jié)點k

步驟1k希望通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)時,按式(1)計算TreqLenk,形成自己的RelayNodeDiscovery消息并廣播,并設(shè)置計時器DiscoveryTimer;

步驟2 在DiscoveryTimer時間內(nèi),將收到的RelayInfo消息添加到候選Relaying節(jié)點表中,選擇一個最優(yōu)Relaying節(jié)點,其算法是先滿足TmaxLenik最大,這樣可以避免頻繁地重新選擇;如多個TmaxLen相同,再選擇最優(yōu)AvgSNRik;若沒有收到任何RelayInfo消息則放棄通過轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點傳輸數(shù)據(jù),改為單跳方式直接向Sink節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。

步驟3 向節(jié)點i單播發(fā)出確認消息,并與節(jié)點i喚醒時間表同步;

步驟4 向節(jié)點i單播感知數(shù)據(jù),并檢測是否到達TmaxLenik;

步驟5 如果達到TmaxLenik,說明節(jié)點i代為轉(zhuǎn)發(fā)的時間已到,轉(zhuǎn)步驟1;否則,轉(zhuǎn)步驟4。

②Relaying節(jié)點i

步驟1 向Sink發(fā)送自己的數(shù)據(jù),監(jiān)聽并接收Relayed節(jié)點的RelayNodeDiscovery消息;

圖3 Relayed(左)節(jié)點與Relaying(右)節(jié)點算法流程圖

步驟3 接收節(jié)點k的確認消息,并與其同步喚醒時間表;

步驟4 接收節(jié)點k的數(shù)據(jù),并向Sink節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā),并檢測是否到達TmaxLenik;

步驟5 如果達到TmaxLenik,說明節(jié)點i代為轉(zhuǎn)發(fā)的時間已到,轉(zhuǎn)步驟1;否則,轉(zhuǎn)步驟4。

Relaying節(jié)點和Relayed節(jié)點的算法流程圖如圖3所示。

3 性能分析與實驗對比

3.1 實驗環(huán)境與參數(shù)

我們使用仿真軟件OMNeT++[16]對本文提出的ORR算法進行實驗和性能分析,并與IEEE 802.15.6中的傳統(tǒng)算法進行比較,實驗證明ORR算法在網(wǎng)絡(luò)壽命上提升了約10%,在網(wǎng)絡(luò)總吞吐量上提高了約4.5%,relayed節(jié)點的吞吐量提升了約8%。

實驗模型如圖1所示,設(shè)置了3個relaying節(jié)點和一個relayed節(jié)點,實驗參數(shù)如表1所示;其中ETx、ERx分別代表節(jié)點向鄰居節(jié)點發(fā)送和接收單位數(shù)據(jù)消耗的能量;N節(jié)點通過單跳向Sink發(fā)送單位數(shù)據(jù)耗能180 nj/bit(若通過relaying節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)則需要經(jīng)過兩次發(fā)送和一次接收,共耗能90 nj/bit);仿真時間4 000 s。

表1 實驗中參數(shù)

3.2 性能指標

(1)網(wǎng)絡(luò)壽命

我們采用與文獻[6]相同的定義,將網(wǎng)絡(luò)壽命定義為網(wǎng)絡(luò)中最短節(jié)點壽命,即仿真開始到出現(xiàn)第1個死亡節(jié)點的時間。

(2)吞吐量

①網(wǎng)絡(luò)吞吐量。該指標定義為仿真結(jié)束時Sink端接收到的數(shù)據(jù)包總數(shù),能夠反映整個網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性[12]。

②N節(jié)點吞吐量。該指標定義為Sink端接收到的N節(jié)點的數(shù)據(jù)包數(shù),反應了節(jié)點N在進行通信時的可靠性[15]。

3.3 實驗結(jié)果和分析

(1)網(wǎng)絡(luò)壽命

由圖4可知,在ORR算法下網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)于傳統(tǒng)IEEE 802.15.6約10%。這是由于在ORR算法下,當relaying節(jié)點能量達到閾值后將不再負責轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),relayed節(jié)點重新選擇節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā),平均了網(wǎng)絡(luò)中的能耗分布,延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖4 網(wǎng)絡(luò)壽命

(2)吞吐量

①N節(jié)點吞吐量

由圖5可知ORR算法下N節(jié)點的流量最高提升了約8%。在實驗前半段部分兩算法并無明顯差距,這是由于此時relaying節(jié)點能量充足,可以提供轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù);當實驗運行了3 500 s左右時,IEEE 802.15.6算法下N節(jié)點的有效包數(shù)由于relaying節(jié)點死亡而不再增長(Sink節(jié)點無法收到N節(jié)點數(shù)據(jù)包);而ORR算法下relaying節(jié)點能量達到閾值后,relayed節(jié)點可以自動選擇其他relaying節(jié)點繼續(xù)維持轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),提高了吞吐量。

圖5 N節(jié)點吞吐量

圖6 網(wǎng)絡(luò)總吞吐量

②網(wǎng)絡(luò)吞吐量

圖6為仿真結(jié)束時網(wǎng)絡(luò)總吞吐量。由圖可知,整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量提高了約4.5%。這是由于在ORR算法下,relayed節(jié)點能夠重新選擇relaying節(jié)點進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),避免了因單個relaying節(jié)點的死亡而無法傳輸數(shù)據(jù)的情況,提高了relayed節(jié)點的吞吐量;同時由于閾值限制了relaying節(jié)點的能耗,因此relaying節(jié)點的壽命得到延伸,從而提高了relaying節(jié)點的吞吐量。

4 結(jié)論

為了節(jié)省WBAN網(wǎng)絡(luò)由于單跳長距離通信帶來的能量消耗,IEEE 802.15.6標準提供了一種2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu),支持中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點幫助距Sink節(jié)點較遠的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);由于該標準沒有指明如何選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的機制,在實際應用中帶來了最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點重新選擇及如何感知已工作轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點能量耗盡等問題。本文提出了一種IEEE 802.15.6 2-Hop的星形拓撲擴展結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇協(xié)議ORR,解決了在IEEE 802.15.6標準中2-Hop的星形拓撲擴展的選擇Relaying節(jié)點帶來的3個主要問題;性能分析與模擬實驗表明:該協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)壽命和網(wǎng)絡(luò)吞吐量方面優(yōu)于傳統(tǒng)的IEEE 802.15.6策略。

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