一种可靠的无线体域网跨层机会主义路由协议

高 翔，甘昕艳，凌泽农，张翼鹏

（1.广西中医药大学公共卫生与管理学院，广西南宁 530200；2.广西中医药大学基础医学院，广西南宁 530200）

无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）是一种在医疗领域有着广泛应用的现代通信技术[1]。WBAN 通过传感器感应身体不同部位的生理特征，并通过无线网络进行连接。与传统的无线传感器网络（WSNs）相比，无线体域网具有节点数量少和传输功率低等特点，在应用上应尽量减少干扰和对健康的影响[2]。可靠通信是无线体域网中最重要的系统性能特征[3-4]。文献[4]讨论了WBAN 的可靠性问题，人体会使无线信号产生多种变化，并可能降低WBAN 的性能[5]。

利用中继节点将源数据包转发到汇聚节点[6-11]是一种提高WBAN 可靠性的方法。该文提出一种可靠的无线体域网跨层机会主义路由协议（Cross-Layer Opportunistic Routing,CLOR），该协议通过选择源节点周围剩余能量最高且最接近汇聚节点的相邻节点作为中继节点，从而达到提高数据传输可靠性的效果。仿真结果表明，CLOR 协议在可靠性、能量效率、端到端（ETE）传输时延和网络生命周期等方面都有了明显的提升。

1 无线体域网跨层机会主义路由协议

1.1 CLOR协议概述

CLOR 协议采用RTS-CTS 的四路握手机制。协议的完整分组交换顺序如图1 所示。如果信道空闲，则源节点首先等待DIFS（Distributed Inter-Frame Spacing），然后再传输RTS 数据包。如果信道繁忙，则源节点随机选择一个时隙来执行退避，在等待DIFS 时间结束之后，源节点广播一个RTS 数据包，并等待τw的响应时间，τw满足的条件如式（1）所示：

图1 RTS/CTS握手机制

式中，τw表示源节点等待CTS 应答的时间间隔，τtx(RTS)与τtx(CTS)分别表示RTS 和CTS 包的传输时间，slot×τs为竞争时间，τd(max)为τd的最大值，τp(RTS)与τp(CTS)分别是RTS 与CTS 包的传输时延。

为了响应CTS 包，源节点的所有相邻节点采用一种基于计时器的机制进行竞争，协议将τd定义为节点,试图访问发送CTS 包通道后的延迟时间，具有最小τd值的节点将获得访问权，τd值取决于剩余能量与接收信号的强度。在式（2）中，通过计算得到所有相邻节点中被选为最佳中继节点的τd值。

式（2）中，me表示节点剩余能量的度量，my表示接收信号强度指示（Received Signal Strength Indicator,RSSI）的度量，τd为两种度量之和。

CTS 竞争时序图如图2 所示，可知τd的大小介于t1与t2之间，当信道空闲时，竞争节点将在τd之后发送CTS。如果信道繁忙，节点通过在t2与t3之间选择一个随机时隙来执行退避。这个退避间隔的最大值可以是竞争窗口(CW)的大小与时隙时间τs的乘积。时隙的使用类似于时隙ALOHA，节点只能在时隙开始时发送数据包[12]。

图2 CTS竞争时序图

剩余能量度量me如式（3）所示：

式中，ei与er分别表示节点的初始能量与剩余能量，we为一个0～1 之间的常数，可以按照me的优先级进行调整，以确保τd小于τw，从而保证可以满足式（1）。me的值与节点剩余能量成反比，这意味着剩余能量较高的节点τd值较低，所以剩余能量较高的节点将被选为中继节点。

假设网络中的所有节点都是具有相同传输功率的体-前端传感器。此外，所有节点都在汇聚节点的传输范围内，汇聚节点周期性广播beacon 数据包[13]。使每个节点都记录有信标包的RSSI 值。

更靠近汇聚节点的中继节点有更高的机会发送CTS 包。来自源节点的RTS 包中包含了它从汇聚节点接收的beacon 包的RSSI 值。中继节点将该值与从汇聚节点接收的beacon 本身的RSSI 值进行比较。如果满足式（4），则该节点可被选为中继节点，从而保证数据向汇聚节点传输[13]。

式中，yrelay表示中继节点接收到的beacon 包的RSSI 值，ysource表示源节点接收到的beacon 包的RSSI值。如果式（4）满足，则RSSI的度量表示如（5）所示：

式中，pprt表示数据包接收功率阈值，yRTS表示中继节点处的RTS 包的接收信号强度值。wy为一个大小在0～1 之间的常数，可根据τd的值进行调整，并保证τd小于τw，从而保证可以满足式（1）。my的值与yRTS成正比，表示远离源的中继节点的τd值较小。因此，协议将选择靠近接收器的节点，减少源节点与汇聚节点之间的跳数。

由式（2）得出，具有最高剩余能量和更接近汇聚节点的节点，即τd最小的节点将被选为中继节点。

第一个发送CTS 数据包的节点赢得访问权。当其他节点接收到这个CTS 数据包时，它们会进入休眠状态，休眠时间由网络分配向量值（NAV）决定。源节点的数据包通过中继节点发送到汇聚节点，并返回一个ACK 包。

1.2 信道模型

该文采用IEEE 802.15.6 Channel Model(CM)3A[14]作为信道模型，该模型如式（6）所示：

式中，L(d)表示路径为d的路径损耗，a，为环境常量，Nσ表示标准差为σ的零均值高斯分布随机变量。

1.3 性能指标

数据包投递率（PDR）：汇聚节点接收到的数据包总数与源节点发送的数据包总数之比，在此可以作为可靠性的性能指标。

端到端传输时延（ETE）：从源节点生成数据包到汇聚结点接收数据包的时间差[15]。

网络生命周期：网络中第一个节点消耗其所有能量的时间。

能量效率：每比特所用能量的倒数，即汇聚结点接收到的每比特所用的平均能量。

2 性能仿真

2.1 仿真参数

仿真时只考虑体前与体表传感器来研究WBAN，但手、耳和肩膀处的节点可能具有与身体后部任何节点通信的能力，网络拓扑如图3 所示[16]。汇聚节点为位于身体中心的节点0，能量消耗根据无线信号所处的状态进行计算，如表1 所示。使用基于OMNeTT++框架的Castalia 作为仿真工具[17]，仿真模拟参数如表2 所示。

图3 传感器节点在人体上的网络拓扑

表1 能耗计算

表2 仿真模拟参数

为了研究不同有效载荷大小的影响，网络拓扑由12 个节点组成，如图3 所示。每个节点既是源节点，也可以充当中继节点。在不同数量节点的仿真设置中，将四个源节点分别放置在网络中手、耳、踝和头的位置。然后，将潜在的中继节点的数量增加为0、2、4、6、8。物理层参数根据IEEE802.15 Group Task 6 提出的窄带无线信号特性进行选择，并假设所有节点都是静态的。

2.2 仿真结果

2.2.1 网络生命周期

图4 描述了网络生命周期随有效载荷、节点数的变化情况。从图4（a）可知，当有效载荷增大时，与SOR 相比，CLOR 的网络生命周期有所提高。这种改进是因为CLOR 选择了具有更高剩余能量的中继节点。而图4（b）显示了节点数对网络生命期的影响。图4（b）的数据显示，网络生命期随节点数的增加而减少。CLOR 的网络生命期高于SOR。由于CLOR选择了具有高剩余能量的中继节点，改善了功耗负载划分，因此，与SOR 相比，CLOR 的网络生命周期更长。

2.2.2 数据包投递率

数据包投递率如图5 所示。从图5（a）可知，两种算法的数据包投递率随有效载荷的增加而呈下降趋势。与SOR 相比，CLOR 的数据包投递率更高，原因在于CLOR 算法采用了基于计时器的中继节点选择机制，减少了随机选择中继节点所导致的数据包丢失。图5（b）绘制了PDR 随节点数的变化曲线。从图中可知，数据包投递率随节点数的增加而上升。CLOR 的数据包投递率更高，原因在于CLOR 基于计时器的中继节点选择机制，能确保数据被转发到汇聚节点。CLOR 的中继节点更接近源节点且具有更高的剩余能量，避免了朝远离汇聚节点方向传输或将失效的节点选作中继节点。因此，与SOR 相比，CLOR 提高了可靠性。

图5 数据包投递率

2.2.3 数据包投递率

图6 显示了有效载荷、节点数对端到端传输时延的影响。从图6可知，CLOR的传输时延远低于SOR协议，并且随着有效荷载与节点数的增加，CLOR 算法端到端传输时延的优势越发明显。这主要是因为在CLOR 算法中，数据总是向汇聚节点传输，并且通过选择靠近汇聚节点的中继节点，使传输跳数最小化，进而减少了传输的时延。

图6 端到端传输时延

2.2.4 能量消耗

图7 显示了SOR 与CLOR 两种算法中每比特数据能量消耗的情况。从图7（a）可知，当增加有效载荷大小时，每比特消耗的能量增加。随着有效载荷的增加，CLOR 的单位能耗低于SOR。这主要得益于CLOR 在中继节点选择中采用了高剩余能量的机制。图7（b）显示了随着节点数量的增加，每比特消耗能量的增加。节点数量增加会导致总能耗增加，从而增加每比特数据的能耗。由于SOR 没有采用能量度量的中继节点选择机制，因此与CLOR 相比，节点数量的增加会导致更高的总能耗。CLOR 中接收的数据包总数较SOR 多，也降低了CLOR 的单位能耗，使CLOR 的能量效率更高。

图7 每比特消耗能量

3 结论

该文提出了一种WBAN 中基于定时器方法的CLOR 协议。在CLOR 中，剩余能量和RSSI 指标的组合被用来选择中继节点。仿真结果分析了有效载荷大小和节点数量变化造成的影响。结果表明，与SOR 相比，CLOR 在可靠性、能量效率、ETE 端到端传输时延和网络生命周期等方面都有了大幅的提升。