基于ZigBee和AODV協(xié)議的無(wú)線體域網(wǎng)性能仿真

時(shí)間：2021-11-20 19:13:21

關(guān)鍵字：無(wú)線體域網(wǎng) Zigbee NS2 時(shí)延丟包率

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[導(dǎo)讀]摘要：作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支，無(wú)線體域網(wǎng)以其巨大的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。文章依據(jù)采集人體主要生理指標(biāo)的傳感器節(jié)點(diǎn)位置，采用ZigBee無(wú)線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，構(gòu)建了無(wú)線體域網(wǎng)人體模型；并通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2仿真了基于ZigBee的無(wú)線體域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和丟包率，探究了ZigBee協(xié)議對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)的適用性。

引言

無(wú)線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network，WBAN)又稱體域傳感網(wǎng)(Body Area Sensor Networks，BASN)，它是以人體為中心的通信網(wǎng)絡(luò)，是由分布于人體表面和人體內(nèi)部的傳感器和組網(wǎng)設(shè)備以及與人體有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成。WBAN隨著醫(yī)療健康領(lǐng)域的飛速發(fā)展以及市場(chǎng)的巨大需求，越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的青睞。

WBAN的業(yè)務(wù)種類異構(gòu)，普通業(yè)務(wù)、緊急業(yè)務(wù)和按需業(yè)務(wù)共存，因此其對(duì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有著特殊的要求。當(dāng) 前WBAN主要采用的傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶 (UWB)、紅外和NFC等。而ZigBee技術(shù)相比于其他技術(shù)具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此更加適合應(yīng)用于 WBAN的數(shù)據(jù)傳輸。本文將ZigBee協(xié)議應(yīng)用于WBAN，結(jié)合經(jīng)典的AODV協(xié)議，構(gòu)建了 WBAN人體模型；進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2，仿真測(cè)試了衡量WBAN的可靠性指標(biāo)一丟包率和時(shí)效性指標(biāo)一時(shí)延，探究了 ZigBee協(xié)議對(duì) WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m用性。

1 ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee因?qū)Ｖ诘统杀?、低速率等要求，它有如下特點(diǎn):

廉價(jià)，ZigBee協(xié)議棧簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)練，需要的各項(xiàng)成本小，隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，ZigBee通信模塊的價(jià)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(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備;

安全,ZigBee有鑒權(quán)的能力，保證了用戶的私人信息，加強(qiáng)了保密性。此外，ZigBee還有可靠、較大的網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)，使ZigBee有較好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值；

表1給出ZigBee與其他短距離無(wú)線通信技術(shù)的對(duì)比。 ZigBee與Bluetooth相比協(xié)議棧更簡(jiǎn)單，需要的軟硬件資源相對(duì)少很多，且可以支持更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術(shù)相比較來(lái)說，Wi-Fi 的應(yīng)用相對(duì)成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB 比較來(lái)說，后者有較高的通信速率和較大的數(shù)據(jù)容量，但缺乏統(tǒng)一性的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee和NFC對(duì)比來(lái)看，ZigBee的通信距離遠(yuǎn)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(cè)信息的數(shù)據(jù)傳輸。

表1. ZigBee與其他短距離無(wú)線通信技術(shù)的對(duì)比

技術(shù)	數(shù)據(jù)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(jià)格便宜、方便
ZigBee	0.02-0.25	1-100	868/915 MHz, 2.4 GHz	可靠、低功耗、價(jià)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(jù)所建WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，選擇應(yīng)用 AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)路由協(xié)議。 AODV是一種反應(yīng)式路由協(xié)議，也稱為按需路由協(xié)議(On- demand Routing Protocol)，僅當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸，需要包的傳輸路徑時(shí)，才開始進(jìn)行路由查找。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者探究的結(jié)果可知，若考慮數(shù)據(jù)源的數(shù)目、模型中節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性、以及網(wǎng)絡(luò) 負(fù)載問題時(shí)，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(shì)網(wǎng)。

AODV具體工作機(jī)制：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)先檢查本身有沒有所要到達(dá) 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果自身沒有儲(chǔ)存所要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，就開始以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請(qǐng)求）報(bào)文。在所發(fā)的 RREQ報(bào)文中詳細(xì)記錄了源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，當(dāng) 鄰近節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RREQ后，首先進(jìn)行判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 是否為自己。如果是，則向發(fā)起的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP（路由回應(yīng)）；若不是，則在自己的路由表中查找其中是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 的路由，如果有，仍然向源節(jié)點(diǎn)單播RREP，同樣若沒有，則會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的RREQ進(jìn)行進(jìn)一步查找。概括來(lái)說，在 AODV路由情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在需要進(jìn)行通信時(shí)才會(huì)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(jīng)典的路由協(xié)議，對(duì)于無(wú)線體域網(wǎng)涉及的各個(gè)體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說可以勝任。

3人體仿真模型的建立

在人身體上的一些關(guān)鍵部位，部署具有特定用途的傳感節(jié)點(diǎn)，用來(lái)實(shí)時(shí)采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為體征信息檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)它們把采集來(lái)的身體的生理信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，對(duì)于人體來(lái)說，匯聚節(jié)點(diǎn)可由手機(jī)充當(dāng)。匯聚節(jié)點(diǎn)再把接收到的信息通過衛(wèi)星或局域網(wǎng)絡(luò)最終傳送到專門的部門，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)，也可以在自己的手機(jī)上儲(chǔ)存身體各項(xiàng)生理指標(biāo)的正常范圍區(qū)間，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)送來(lái)的某項(xiàng)生理值不在正常范圍區(qū)間內(nèi)時(shí)，便會(huì)報(bào)警提醒所要檢測(cè)的主體。上述過程可以通過編寫專門的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如當(dāng)主體的血糖偏低時(shí)，手機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)鬧鈴功能，假設(shè)此時(shí)鈴聲設(shè)置為A，而當(dāng)血壓偏高時(shí)，鬧鈴將啟動(dòng)鈴聲B，再進(jìn)一步，也可以把出現(xiàn)的每種不正常生理狀況的應(yīng)對(duì)策略以及注意事項(xiàng)，儲(chǔ)存在主體的手機(jī)里，在鬧鈴提示某種狀況的同時(shí)，及時(shí)提供一些可行性建議。

本論文根據(jù)在人體范圍內(nèi)構(gòu)建WBAN的特征：短距離、低復(fù)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(lái)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

首先，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性, 仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測(cè)主要指標(biāo)的位置以及相對(duì) 應(yīng)的比例，設(shè)定了十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（由手機(jī)來(lái) 擔(dān)任）的坐標(biāo)，在仿真中以CBR （Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù) 發(fā)生器來(lái)充當(dāng)人體傳感節(jié)點(diǎn)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(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)只接收其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。