引 言
無線體域網(WBAN)通過部署在人體不同部位的傳感器對用戶的身體情況進行監(jiān)測[1],雖然節(jié)點都分布在一個有限的范圍內,但是節(jié)點間的多跳傳輸還是必要的[2]。隨著人體姿勢變化,無線體域網的拓撲結構會發(fā)生變化,之前可以通信的兩個節(jié)點可能會隨著人體的運動而不能直接通信 [3]。且信號穿過人體的損耗很高,直接通信可能會影響傳輸質量。另外, 傳感器節(jié)點的傳輸功率是有限的,通過多跳傳輸可能更高效。探索隨著傳感器電量的變化,尋找更加合適的路由來提高系統QoS(服務質量)的方法具有重要意義。
在文獻 [4] 中,作者提出了一種適用于無線體域網的安全和可靠的路由框架,它可以集成一個特定的路由協議,以提高協議的可靠性并且可以防止數據通信過程中的數據注入攻擊。文獻 [5] 提出了一個稱作 MBStar 的實時、高頻率、安全、可靠的路由協議。它利用信道跳頻以及信道黑名單來減少噪音的干擾,并通過支持公認的傳輸和重傳輸來提高可靠性。MBStar 在設備接入認證和數據加密中同時采用公鑰和私鑰機制。文獻 [6] 提出了一種以數據為中心的多目標 QoS 感知協議用以解決體感網中的可靠性和延時問題[7]。它根據消息的重要性將數據分為不同的優(yōu)先級,從而提高系統的服務質量。文獻 [8] 提出了一種能量感知路由來提高系統的高效性和可靠性,它由呼叫協議、鄰節(jié)點構建算法和路由表構建算法三部分組成。實驗表明,該方法在節(jié)點傳輸功率更低的情況下提高了傳輸的可靠性,但是該方案只適用于室內環(huán)境。
1 相關工作
1.1 傳感器節(jié)點組成
在本文提出的方案中,每個傳感器節(jié)點都有自己的節(jié)點id,并且每個傳感器節(jié)點都包含一個控制器,一個用來存儲數據的存儲器,以及一個收發(fā)器。
這些傳感器節(jié)點位于第一層,可以感知人體數據,作為消息的發(fā)送者,也可以作為中繼節(jié)點,這些節(jié)點都由處于第二層的協調器控制,傳感器節(jié)點將數據感知并傳輸給協調器, 再由協調器發(fā)送至處于第三層的醫(yī)療服務器。
1.2 直接模式與間接模式
為了使整個系統更加高效可靠,系統中的傳感器節(jié)點都有兩種模式 :直接模式和間接模式,具體如圖 1 所示。
(1) 直接模式。直接模式時節(jié)點的傳輸功率更高,但要保證功率低于影響人體健康的限度,這時消息只需最少跳數即可到達目的節(jié)點,所有節(jié)點都默認為直接模式。
(2) 間接模式。當傳感器的電池電量不足時,節(jié)點會轉為間接模式,這時傳感器節(jié)點只能與相鄰節(jié)點通信,因此傳輸一條消息需要更多跳數。
節(jié)點的兩種模式既可以通過手動轉換,也可以通過節(jié)點計算電池電量來自動轉換。
2 基于AODV協議的可靠路由RelAODV
在使用少量傳感器建立的自組網中DSDV(Destination Sequenced Distance Vector Routing)[9]目的序列距離矢量路由協議是十分有效的,但需要結點周期性的廣播路由更新分組來維護路由表。AODV(Adhoc On-Demand Distance VectorRouting)[10]按需距離矢量路由協議在DSDV 及其他類似協議的自組網的建立和維護方面做出了改進。文中所有的傳感器節(jié)點都會在剩余電量的基礎上選擇直接模式或者間接模式,從而決定下一條節(jié)點。通常情況下,由于直接模式時節(jié)點傳輸功率大,且無線體域網中節(jié)點的相對移動是在某一范圍內,故節(jié)點處于直接模式時可靠性更高。
2.1 路由的建立
源節(jié)點廣播 RREQ(路由請求)報文,所有的相鄰節(jié)點 都能收到,并且一個節(jié)點可以收到多個 RREQ 報文。收到的 節(jié)點先查看報文中的目的地址是否為自身,如果不是自身且路 由表中沒有到達目的節(jié)點的路徑,再檢查節(jié)點的模式,如果是 中繼模式,在跳數中加上一個中繼損耗值,再將 RREQ 報文 發(fā)送出去 ;如果自身路由表中有到達的路徑,并且路由項中的 目的序列號大于或等于 RREQ 中的目的序列號,節(jié)點檢查自身 的模式,如果是中繼模式,節(jié)點將跳數加一,再向源節(jié)點發(fā)送 RREP(路由回應),并將所有中間節(jié)點路由表更新。
2.2 路由的維護
當消息通過節(jié)點路由表中的路由表成功送達后,說明這 個路徑是活躍的。當活躍路徑中的某一節(jié)點模式發(fā)生變化或者 路徑斷開時,節(jié)點會向源節(jié)點發(fā)送一個 RERR(路由錯誤)信息, 告知源節(jié)點該路徑不可用,需要建立新的路由。
中繼節(jié)點選擇下一跳不僅僅依據下一節(jié)點是出于何種模 式,這是因為通過間接模式可能跳數更少,但是加上中繼損耗 值時跳數可能比直接模式多,這時可能會造成網絡擁塞,影 響系統服務質量。知道節(jié)點處于哪一種模式有利于提高系統的 可靠性。加入中繼損耗是為了有利于選擇間接模式的節(jié)點為下 一節(jié)點,且中繼損耗值的選取很重要,如果太高,系統會一直 選擇處于直接模式的節(jié)點,太低又會使選擇直接模式或者中 間模式沒有太大意義。
通常情況下,鏈路斷開是由于節(jié)點電量耗盡。因此,本 文提出的方案中,通過模式的轉化,不會使系統產生大量的 RERR(路由錯誤)信息。
可靠 AODV 路由協議中路徑的選擇如圖 2 所示,節(jié)點 X 為源節(jié)點,節(jié)點 Y 為目的節(jié)點。當節(jié)點 X 廣播 RREQ(路由請 求)報文到達間接模式的節(jié)點 b 時,在跳數中加上中繼損耗值 1,所以當通過節(jié)點 b 到達節(jié)點 e 時跳數值為 3。因此系統會 選擇更優(yōu)的通過節(jié)點 c 的路徑。盡管路徑 x → b → e → y 與路 徑 x → c → e → y 的中間節(jié)點數目相同,但后者因為路徑中所 有節(jié)點都是直接模式而被選取。
3 性能分析
圖 3 與圖 4 分別是暫停時間以及節(jié)點數量與數據包投遞 率的關系。數據包分組投遞率是成功接受數據包數量與發(fā)送 數據包數量的比值,當暫停時間較小時,RelAODV 的分組投 遞率比 C-AODV 以及 AODV 都高,即 RelAODV 在節(jié)點隨人 體姿勢變化運動時表現得更好。圖 4 說明 RelAODV 在節(jié)點數 量較少時,可靠性更高,分組投遞率隨著節(jié)點數量的增加而 降低,但是都比其他兩種表現的更好。總之,經過仿真對比, RelAODV 的表現良好。
4 結 語
在體域網中,數據總是由感知傳感器傳送至協調器,目 的地址不變,但是傳感器節(jié)點會隨著人體的運動而變換相對 位置,造成傳輸路徑的變化。并且隨著節(jié)點電量的消耗,會 造成傳輸功率的變化從而影響系統服務質量。文中所提到的方 案在這兩方面均有良好表現,使得系統在可靠性、高效性方 面表現的更為優(yōu)越。
由于無線體域網中的信息種類可能不止一種,重要性也 不盡相同,所以在未來的研究中,筆者將對消息的分類與系統 中節(jié)點模式的轉化機制進行更加深入的研究,在該系統的基礎上提出新的數據安全高效傳輸方法。