基于網絡編碼的體域網可靠數據傳輸方法研究

李燕香 曹小鳳

摘? 要：隨著電子技術的迅速發(fā)展，以能夠檢測及采集人體生理數據、應用于健康監(jiān)控、醫(yī)療保健、體育競技等領域的體域網應用越來越廣泛。但是由于人體姿態(tài)處于不停移動變化中，無線體域網的網絡環(huán)境很不穩(wěn)定，數據傳輸的可靠性較低。針對這一問題，本文引入網絡編碼技術，以簡化的網絡拓撲為模型提出一種基于網絡編解碼的中繼算法，并分析了該算法的網絡傳輸可靠性。最后，以丟包率作為網絡可靠性衡量指標，仿真結果表明：該算法與傳統(tǒng)的數據傳輸算法相比，在一定程度上提高了數據傳輸的可靠性。

關鍵詞：無線體域網;網絡編碼;數據可靠傳輸

中圖分類號：TP393? ? ?文獻標識碼：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）

無線體育網（Wireless Body Area Network，WBAN）是一種特殊的無線傳感器網絡。它是由穿戴在人體表面或者移植在人體內部的用于收集人體生理參數的傳感器及信息處理中心組成[1，2]。體域網通過檢測人體生理數據，在遠程醫(yī)療，幫老助殘，目擊者救護等諸多領域醫(yī)用廣泛[3]。然而，隨著人體姿勢的變化，體域網的拓撲結構是一個實時變化的網絡，節(jié)點之間的通信質量較差，如何提高體域網節(jié)點之間通信的可靠性，有著重要的研究意義。

本文將網絡編碼技術應用到無線體域網的數據傳輸過程中提高數據傳輸可靠性。文獻[4]將網絡編碼應用于無線Ad Hoc網絡;文獻[5]通過實驗數據驗證了將無線廣播特性與網絡編碼結合對數據傳輸可靠性的提高;文獻[6]提出一種基于網絡編碼的多路徑可靠傳輸策略;但是將網絡編碼應用到體域網的研究相對較少，是一個較新的研究方向。

2? 基于BAN網絡編碼算法（BAN-based network

coding algorithm）

2.1? ?網絡模型

本文采用六個源節(jié)點，兩個中繼節(jié)點，一個匯聚節(jié)點的網絡拓撲模型模擬多中繼無線體域網網絡模型，如圖1所示。

為了提高數據傳輸的可靠性，對中繼節(jié)點接收到的數據包進行網絡編碼，并在匯聚節(jié)點對數據包進行解碼操作，同時對數據包進行去重復操作。

2.2? ?編碼算法

用結合U表示中繼節(jié)點接收到的數據包集合，用集合C表示編碼后的數據包集合，。編碼方式如下[7]：

2.3? ?解碼算法

匯聚節(jié)點接收到來自中繼節(jié)點的編碼數據包（用表示這些數據包的Data字段）后，將其放置在矩陣D{n，n}中，n為傳感器節(jié)點個數，矩陣D如下所示。

3? ?實驗分析（Experimental analysis）

本文將不能被成功解碼的數據包視為數據包丟失，并以數據包的丟失率（Packet Loss Rate，PLR）作為網絡的可靠性的衡量。采用蒙特卡洛方法，與其他兩種數據傳輸機制對比，在不同誤碼率（Bit Error Rate，BER）、數據包錯誤率（Packet Error Rate，PER）下，對比網絡PLR，驗證了本文提出的算法能夠對數據可靠傳輸帶來一定的改善。

Comparing Algorithm1：將數據直接以單鏈路機制發(fā)送到匯聚節(jié)點。

Comparing Algorithm2：冗余傳輸機制。任何數據包都發(fā)送兩次。

4? ?結論（Conclusion）

本文針對體域網網絡環(huán)境不穩(wěn)定，數據傳輸可靠性低的問題提出一種基于網絡編碼的編解碼算法提高數據傳輸可靠性，并通過與傳統(tǒng)網絡傳輸機制對比，通過仿真模擬實驗驗證了本算法對數據傳輸可靠性有一定的改善。

參考文獻（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，F(xiàn)asolo 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] 蔣瑩，吳蒙.WSN基于網絡編碼數據傳輸可靠性研究[J].計算機技術與發(fā)展，2013（4）：148-150.

[6] 陳書陽，馮海林.多路徑網絡編碼的傳輸可靠性提高策略[J].四川大學學報，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] 朱曉娟，陸陽，邱述威，等.無線傳感器網絡數據傳輸可靠性研究綜述[J].計算機科學，2013，40（9）：1-7.

[9] 劉毅，宋余慶.無線體域網技術研究[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2013，34（8）：1757-1762.

[10] 李燕香.基于網絡編碼的BAN數據可靠通信方法研究[D].吉林大學，2016.