基于ZigBee和AODV協(xié)議的無線體域網性能仿真

時間：2021-11-20 19:13:21

關鍵字：無線體域網 Zigbee NS2 時延丟包率

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[導讀]摘要：作為無線傳感器網絡的一個重要分支，無線體域網以其巨大的應用前景，受到學術界和產業(yè)界的廣泛關注。文章依據采集人體主要生理指標的傳感器節(jié)點位置，采用ZigBee無線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，構建了無線體域網人體模型；并通過無線網絡主流仿真軟件NS2仿真了基于ZigBee的無線體域網的數(shù)據傳輸時延和丟包率，探究了ZigBee協(xié)議對無線體域網的適用性。

引言

無線體域網(Wireless Body Area Network，WBAN)又稱體域傳感網(Body Area Sensor Networks，BASN)，它是以人體為中心的通信網絡，是由分布于人體表面和人體內部的傳感器和組網設備以及與人體有關的網絡元素構成。WBAN隨著醫(yī)療健康領域的飛速發(fā)展以及市場的巨大需求，越來越受到學術界和產業(yè)界的青睞。

WBAN的業(yè)務種類異構，普通業(yè)務、緊急業(yè)務和按需業(yè)務共存，因此其對數(shù)據傳輸技術有著特殊的要求。當前WBAN主要采用的傳輸技術標準有藍牙、ZigBee、超寬帶 (UWB)、紅外和NFC等。而ZigBee技術相比于其他技術具有低復雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點，因此更加適合應用于 WBAN的數(shù)據傳輸。本文將ZigBee協(xié)議應用于WBAN，結合經典的AODV協(xié)議，構建了 WBAN人體模型；進而利用網絡主流仿真軟件NS2，仿真測試了衡量WBAN的可靠性指標一丟包率和時效性指標一時延，探究了 ZigBee協(xié)議對 WBAN中數(shù)據傳輸?shù)倪m用性。

1 ZigBee短距離無線通信技術的特點

ZigBee因專著于低成本、低速率等要求，它有如下特點:

廉價，ZigBee協(xié)議棧簡單，軟件實現(xiàn)簡練，需要的各項成本小，隨著產品產業(yè)化的發(fā)展，ZigBee通信模塊的價格可降至兩美元左右；

省電,ZigBee收發(fā)信息需要的功率很低,工作周期短,附有休眠模式，所以避免了更換電池和頻繁充電；

網絡容量大，每個ZigBee網絡最多可支持255個設備;

安全,ZigBee有鑒權的能力，保證了用戶的私人信息，加強了保密性。此外，ZigBee還有可靠、較大的網絡容量等特點，使ZigBee有較好的應用前景和研究價值；

表1給出ZigBee與其他短距離無線通信技術的對比。 ZigBee與Bluetooth相比協(xié)議棧更簡單，需要的軟硬件資源相對少很多，且可以支持更多的傳感器節(jié)點，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術相比較來說，Wi-Fi 的應用相對成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB 比較來說，后者有較高的通信速率和較大的數(shù)據容量，但缺乏統(tǒng)一性的應用標準；ZigBee和NFC對比來看，ZigBee的通信距離遠大于后者，且功耗更低。因此從理論上講，ZigBee 協(xié)議適合WBAN體征監(jiān)測信息的數(shù)據傳輸。

表1. ZigBee與其他短距離無線通信技術的對比

技術	數(shù)據率 (Mb/s)	通信距離(m)	頻率	成功因素
UWB	50-100	0-10	3.1-10.7 GHz	容量大、速率高
B luetooth	0.8-1.0	1-10	2.4 GHz	價格便宜、方便
ZigBee	0.02-0.25	1-100	868/915 MHz, 2.4 GHz	可靠、低功耗、價格低
Wi-Fi	54	1-100	2.4 GHz, 5.2 GHz	速度、靈活性
NFC	0.3	0-0.2	13.56 MHz	安全、迅速

2 AODV路由協(xié)議

本文依據所建WBAN中數(shù)據傳輸?shù)囊?，選擇應用 AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)路由協(xié)議。 AODV是一種反應式路由協(xié)議，也稱為按需路由協(xié)議(On- demand Routing Protocol)，僅當有數(shù)據傳輸，需要包的傳輸路徑時，才開始進行路由查找。根據國內外學者探究的結果可知，若考慮數(shù)據源的數(shù)目、模型中節(jié)點的可移動性、以及網絡負載問題時，按需方式的路由算法相比于其他的算法有著很大的優(yōu)勢網。

AODV具體工作機制：當網絡中的一個節(jié)點準備向網絡中的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據信息時，節(jié)點先檢查本身有沒有所要到達目標節(jié)點的路由，如果自身沒有儲存所要到達目標節(jié)點的路由，就開始以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請求）報文。在所發(fā)的 RREQ報文中詳細記錄了源節(jié)點和目標節(jié)點的網絡層地址，當鄰近節(jié)點收到源節(jié)點發(fā)出的RREQ后，首先進行判斷目標節(jié)點是否為自己。如果是，則向發(fā)起的節(jié)點發(fā)送RREP（路由回應）；若不是，則在自己的路由表中查找其中是否有到達目標節(jié)點的路由，如果有，仍然向源節(jié)點單播RREP，同樣若沒有，則會繼續(xù)轉發(fā)接收到的RREQ進行進一步查找。概括來說，在 AODV路由情況下，網絡中的每一個節(jié)點只有在需要進行通信時才會發(fā)送路由分組，這樣大大減少了路由查找的開銷凹。

因此，AODV作為一種經典的路由協(xié)議，對于無線體域網涉及的各個體征信息檢測傳感節(jié)點之間的數(shù)據傳輸來說可以勝任。

3人體仿真模型的建立

在人身體上的一些關鍵部位，部署具有特定用途的傳感節(jié)點，用來實時采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的節(jié)點稱為體征信息檢測傳感器節(jié)點它們把采集來的身體的生理信息轉發(fā)給匯聚節(jié)點，對于人體來說，匯聚節(jié)點可由手機充當。匯聚節(jié)點再把接收到的信息通過衛(wèi)星或局域網絡最終傳送到專門的部門，以此來實現(xiàn)對人體健康狀況的實時監(jiān)測，同時，也可以在自己的手機上儲存身體各項生理指標的正常范圍區(qū)間，當源節(jié)點送來的某項生理值不在正常范圍區(qū)間內時，便會報警提醒所要檢測的主體。上述過程可以通過編寫專門的程序來實現(xiàn)，比如當主體的血糖偏低時，手機會自動啟動鬧鈴功能，假設此時鈴聲設置為A，而當血壓偏高時，鬧鈴將啟動鈴聲B，再進一步，也可以把出現(xiàn)的每種不正常生理狀況的應對策略以及注意事項，儲存在主體的手機里，在鬧鈴提示某種狀況的同時，及時提供一些可行性建議。

本論文根據在人體范圍內構建WBAN的特征：短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本，選擇了 ZigBee協(xié)議和 AODV路由協(xié)議來進行無線數(shù)據傳輸。

首先，構建一個網絡拓撲結構，考慮模型的現(xiàn)實應用性, 仿真以人身高180 cm，并根據所測主要指標的位置以及相對應的比例，設定了十個傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點（由手機來擔任）的坐標，在仿真中以CBR （Constant Bit Rate）包業(yè)務發(fā)生器來充當人體傳感節(jié)點待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體的信息采集過程以及每個傳感節(jié)點采集信息的內部數(shù)據差別。因此，在程序中設定匯聚節(jié)點只接收其他節(jié)點轉發(fā)來的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。