CN101394325B - 基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法 - Google Patents

Abstract

一种无线体域网领域的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，对于由采集不同数据业务的传感器节点所组成的无线体域网，通过构建多跳树形拓扑在实现多址接入的同时，节点所采集的数据沿着树形结构路由将数据汇聚于中心控制节点。中心控制节点在有数据需求时，通过向子节点发送命令包，子节点通过CSMA的方式构建树形拓扑。树形拓扑每个树枝上的节点是采集相同数据业务的节点。对于距离sink节点甚远的节点，通过在身体的躯干适当位置引入relay节点以减少通信距离的同时避免位于四肢两侧节点由于四肢移动而造成的数据丢失。本发明通过引入relay节点和设置具有移动性模型的四肢节点，节省能量的同时提高了数据传输的可靠性。

Description

基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法

技术领域

本发明涉及一种无线体域网领域的方法，具体是一种基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法。

背景技术

近年来，将各种医学传感器和无线便携式设备置于人体而构成的无线体域网(WBAN)在医疗、娱乐、航空和军事等领域有着广泛的应用前景。由于人体的存在，WBAN具有更小的传输距离，要求更低的发射功率以及更高的数据可靠性保证。在无线体域网中，人体作为各种传感器节点的承载体影响着整个网络的传输环境。目前对无线体域网的研究表明，在低于800MHz频段，传感器节点之间的通信以人体内部传输为主，而人体外部的传输由于信号衰减和延时很大可以忽略不计；而在更高的GHz频段，人体内部组织对信号造成很大的衰减，信号主要以衍射和反射方式在人体周围进行传输。体内和体外不同的传输机制，使得WBAN在不同的工作频率下具有不同的信道特征。另外，采集不同数据业务的传感器节点必须置于身体上的适当位置，而发射功率为毫瓦级的无线传感器节点之间要可靠地进行数据通信必须构建稳健的网络体系结构。再加上人体的四肢处于随机运动状态，置于四肢上的传感器节点也将随之运动，四肢的移动不仅会阻挡体外传输环境下位于四肢两侧节点之间的通信，而且会导致整个网络拓扑结构的改变。

鉴于以上人体传输环境以及WBAN自身的网络特性，构建适合WBAN自身特点的MAC和路由方式以提高WBAN的能量利用效率和数据传输的可靠性就显得尤为重要。

经对现有技术的文献检索发现，在WBAN路由和多址接入方式的技术中，Huaming Li等人在学术出版物《IEEE-EMBS》(《IEEE生物医学工程学会》)2005年第27届年度国际会议第2451-2454页上发表的“An Ultra-low-power MediumAccess Control Protocol for Body Sensor Network(一种用于体域网的超低功率介质访问控制协议)”，该文中提出了用于星形网络拓扑的多址接入协议，由sink节点(中央控制节点)控制整个网络信道资源的分配并将从传感器节点获得的信息提交远程控制中心，其路由则相对简单。这一技术的缺点是远离sink节点的其他传感器节点需要消耗更高的能量才能保证数据的可靠传输，不太适合对能量有严格要求的WBAN。

经检索还发现，用于WBAN路由和多址接入方式的技术中，L.Benoit等人在学术出版物《IEEE-Mobile and Ubiquitous Systems：Networking & Services》(《IEEE移动与泛在系统：网络与服务》)2007年第四次年度国际会议第1-8页上发表的“A Low-delay Protocol for multi-hop Wireless Body Area Networks(一种用于无线体域网的低延时协议)”，该文中提出了用于多跳树形网络拓扑的多跳MAC协议，由sink节点通过发送控制包来确定节点之间的父子关系，数据沿着树形路由从下向上进行有序传送，在避免冲突的同时又保证数据可靠传输，同时通过树形结构实现了路由。这一技术的缺点是该基于树形多跳网络拓扑的MAC和路由技术把所有的节点视为采集同一数据业务的节点，并没有考虑到WBAN特殊的网络特性及传输环境，并不符合实际的WBAN及其应用需求。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，本发明采用多跳树形网络拓扑，并采用sink节点控制整个网络的数据传输，同时根据采集不同数据业务的传感器节点各自的特性，并且所有节点的工作于GHz频段，即具有体外信道模型。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

步骤一，布置网络结构：根据节点所需采集的生理数据业务信息，将采集不同数据业务的节点置于身体的相应位置，四肢上的节点为移动性节点，在上述节点中至少有一个节点是sink节点的子节点，对于无法直接与sink节点通信的的数据业务节点，在身体躯干上该节点与sink节点的之间设置一个relay节点；

所述relay节点，其只转发位于躯干之外节点或移动性节点所采集的数据业务，通过relay节点转发数据可以节省能量，同时可以避免因手臂移动造成手臂两侧节点无法通信所带来的数据丢失。

所述sink节点，其作为中心控制节点直接控制每种数据信息的采集周期。

所述采集不同数据业务的节点，要么通过自己同类型的父节点转发信息，要么通过relay节点转发信息，要么直接与sink节点通信。

所述各节点，建立的整个网络为多叉树形拓扑，各节点工作于同一GHz工作频率下，即具有体外信道模型，采集不同数据业务的节点之间不能直接通信。

所述四肢上的数据业务节点，其利用移动性模型来提前预测移动节点的位置信息。

步骤二，构建多跳树形拓扑，具体如下：

第一步，sink节点首先通过广播的方式向离它最近的节点发送命令包以确定其第一级子节点，收到sink节点的命令包的节点以CSMA(载波侦听多路访问)的方式反馈响应包，若sink节点收到多个采集同种数据业务类型节点的响应包，则取其中离它最近的节点作为它的第一级子节点；若sink节点收到relay节点的响应包则直接将其作为它的第一级子节点，响应包中包括以下信息：标识采集数据的类型信息、自身的ID、是否为移动性节点以及时隙需求信息；

第二步，sink节点记录第一级子节点信息，并通过发送确认包通知第一级子节点，第一级子节点中的业务节点发送带有类型识别信息的控制包给与它采集相同数据业务的节点，第一级子节点的下一级子节点通过反馈响应包告知第一级子节点其所采集的数据业务信息和数据传输所需的时隙需求，第一级子节点和下一级子节点建立父节点和子节点关系，父子节点是采集同种数据业务的节点，有利于对采集的数据进行融合；第一级子节点中的relay节点发送不包含躯干上业务节点所采集的业务类型信息的控制包给其附近的节点，其附近的节点判断该控制包中是否含有自身业务类型信息，若含有自身业务类型信息，则将该relay节点作为自身的父节点，否则拒绝；

由此，网络中的各节点通过分布式的树形结构进行数据通信，各节点只拥有各自子节点和父节点的信息，一旦树形拓扑构建完成后，就提供了业务节点向sink节点汇聚数据的路由。

步骤三，发送控制信息：

sink节点发送控制包给它的子节点，其包中含有其记录子节点的数据传送需求信息，以TDMA(时分多路访问)的方式分配相应时隙给子节点并确定数据的传递顺序，这些子节点也按照一定的顺序生成自己的控制帧发送给自己的子节点，以此类推，在控制子周期中，各节点都知道自己的数据传递顺序。

步骤四，传送数据，具体如下：

各节点已知自己的数据传递顺序之后，进入数据传送阶段，树形结构中最后一级节点在自己的时隙内向自己的父节点发送采集的数据信息，并提供下一周期所需的时隙需求。这样，数据就沿着树形结构路由从下往上完成了数据的汇聚，sink节点将这些数据进行处理后提交控制中心。

步骤三和步骤四中，发送控制信息和传送数据的过程组成一个数据传送周期，如果连续两个数据传送周期完成之后父节点发现没有收到某个子节点的信息，那么就默认该子节点已经发生移动或者死亡。若该子节点为移动性节点，则在数据发送阶段该父节点提取该子节点移动模型中的移动信息并反馈给sink节点，sink节点在下一个周期内的控制帧发送阶段指定一个relay节点作为移动子节点的父节点，则该relay节点收到该控制信息之后，把该移动节点作为自己的子节点，并为其分配相应的时隙。因此可以提前将移动子节点加入网络，加速了整个网络的重建过程。

本发明中，通过构建联合路由-多址接入方法以解决体外传输环境下由采集不同数据业务类型的节点所组成的无线体域网的可靠数据通信，通过构建多跳树形拓扑实现数据传输路由，以分布式方式分配信道资源。特别地，通过引入relay节点以避免四肢特别是手臂的移动可能会阻挡四肢两侧节点之间的数据通信从而导致的数据丢失，同时减少数据业务节点与sink节点之间的通信距离，提高数据传输的可靠性，节省能量；四肢上节点的移动将改变整个网络拓扑结构，通过对四肢上的节点引入移动性模型来提前预测移动子节点的父节点，并提前唤醒该父节点，以降低网络拓扑重建所带来的网络延时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明考虑了人体体外传输环境下，将采集不同数据业务的传感器节点组合在一起构成了符合实际应用需求的无线体域网，通过引入relay节点减少了与sink节点相距甚远的节点的通信距离，节省了能量，避免了手臂移动所带来的信息丢失，提高了数据传输的可靠性；并通过对四肢节点引入移动性模型，加速了网络的重建过程，减少了延时，保证了数据传输的实时性。

附图说明

图1是本发明的实施例中多跳树形网络拓扑图；

图2是本发明的实施例中多跳树形网络拓扑逻辑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，是本实施例中的多跳网络拓扑图，是无线体域网的一种医疗应用，其中包括三种典型的医学传感器节点：ECG传感器、脉搏传感器和血压传感器，图中：节点1为sink节点，节点2为ECG传感器，节点3为脉搏传感器，节点4为血压传感器，节点5为relay节点。sink节点在整个网络中起主导作用，控制整个网络的数据通信。为了避免手臂两侧节点之间由于手臂运动导致信号丢失，并减少传感器节点与sink节点的通信距离，在身体躯干上放置了relay节点。

如图2所示，是图1的逻辑拓扑图，S代表图1中的sink节点，R代表图1中的relay节点，E代表图1中的ECG传感器节点，P代表图1中的脉搏传感器节点，B代表图1中的血压传感器节点。由图2可以看出，整个网络拓扑是以sink节点为根节点的多跳树形拓扑。

本实施例包括如下步骤：

步骤一，网络基本布置阶段

根据节点所需采集的生理数据业务信息，将采集不同数据业务的节点置于身体的相应位置，四肢上的节点为移动性节点，在上述节点中至少有一个节点是sink节点的子节点，对于无法直接与sink节点通信的的数据业务节点，在身体躯干上该节点与sink节点的之间设置一个relay节点；将三种不同的传感器节点设置于GHz频段的同一工作频率下即具有体外信道模型，但是，一种数据业务类型的节点不接收和发送其他数据业务类型节点的数据信息。手臂上的脉搏和血压传感器被设置为具有移动性模型的移动性节点。

所述四肢上的数据业务节点，利用Hongliang Ren等人在《IEEE InformationAcquisition》(《IEEE信息采集》)2006年IEEE国际会议第306-310页发表的“Understanding the Mobility Model of Wireless Body Sensor Networks(理解无线体域网的移动性模型)”中提出的移动性模型来提前预测移动节点的位置信息。

步骤二，构建多跳树形拓扑：

sink节点首先通过广播的方式向离它最近的节点发送命令包，这些节点在接收到sink节点的命令包后返回响应包，该响应包中含有两bit信息用来标识节点所采集的数据业务类型信息，节点的类型标识信息如表格1所示：

       表1节点的类型标识信息

 

00	01	10	11
				ECG传感器	血压传感器	脉搏传感器	relay节点

另外，把数据传输所需时隙信息、是否为移动性节点以及自身ID也通过响应包告知sink节点，随后sink节点选取离它最近的同种业务节点以及relay节点作为第一级子节点，并记录这些子节点的信息，发送确认包通知这些子节点。这些子节点中的业务节点生成控制包发送给与它采集相同数据业务的节点，它们的下一级子节点通过发送响应包告知父节点它们的时隙需求和自身ID。而relay节点则发送不带有躯干业务节点的业务类型信息的控制包给附近的节点，附近节点通过提取控制信息决定是否将该relay节点作为自己的父节点。由此，网络中的各节点通过分布式的树形结构进行数据通信，各节点只拥有各自子节点和父节点的信息。

步骤三，控制信息发送阶段

sink节点在有数据需求时发送控制帧给它的第一级子节点，根据上一个周期子节点在数据传送阶段所反馈的需求信息，以TDMA的方式分配相应时隙给子节点并确定数据的传递顺序。这些子节点也按照一定的顺序生成自己的控制帧发送给自己的子节点，这样，在此阶段，各节点都被分配相应的时隙并确定了数据传递顺序。

步骤四，数据传送阶段

在上一个阶段之后，进入数据传送阶段。在此阶段，树形结构中最后一级子节点在分配的时隙内向其父节点发送采集的数据信息，并提供下一周期所需的时隙需求。这样，数据就沿着树形结构路由从下往上完成了数据的汇聚，relay节点只负责数据的转发，sink节点将这些数据进行处理后提交控制中心。若右手臂上的节点3移动至背部位置，如图1中虚线所示，右手臂上的节点3与sink节点的曲线距离增大，并且位于手臂的两侧，这样位于身体右下侧的relay节点就能够转发数据，并减少与sink节点间传输距离，节省发射能量。若右手臂上的节点3在某个时刻移动到头部位置，如果其父节点，即身体右下侧的relay节点连续两个数据传送周期内没有收到右手臂上的节点3的数据信息，那么就默认它已经发生移动，于是，其父节点提取子节点移动模型中的移动信息并反馈给sink节点，sink节点在下一个周期内的控制帧发送阶段指定躯干上部的relay节点作为右手臂上的节点3的父节点，则该relay节点收到控制信息之后，把右手臂上的节点3作为自己的子节点，并为其分配相应的时隙。身体右下侧的relay节点由于不再具有子节点而不参与下一周期的数据传送，就可以处于休眠状态，节省能量。这样可以提前将移动子节点加入网络，加速了整个网络的重建过程。

本实施例通过引入relay节点减少了与sink节点相距甚远的节点的通信距离，节省了能量，避免了手臂移动所带来的信息丢失，提高了数据传输的可靠性；并通过对四肢节点引入移动性模型，加速了网络的重建过程，减少了延时，保证了数据传输的实时性。

Claims (8)

1.一种基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，布置网络结构：根据节点所需采集的生理数据业务信息，将采集各种数据业务的节点置于身体的相应位置，四肢上的节点为移动性节点，在上述节点中至少有一个节点是sink节点的子节点，对于无法直接与sink节点通信的数据业务节点，在身体躯干上该节点与sink节点的之间设置一个relay节点；

步骤二，构建多跳树形拓扑，具体如下：

第一步，sink节点首先通过广播的方式向离它最近的节点发送命令包以确定其第一级子节点，收到sink节点的命令包的节点以CSMA的方式反馈响应包，若sink节点收到多个采集同种数据业务类型节点的响应包，则取其中离它最近的节点作为它的第一级子节点；若sink节点收到relay节点的响应包则直接将其作为它的第一级子节点，响应包中包括以下信息：标识采集数据的类型信息、自身的ID、是否为移动性节点以及时隙需求信息；

第二步，sink节点记录第一级子节点信息，并通过发送确认包通知第一级子节点，第一级子节点中的业务节点发送带有类型识别信息的控制包给与它采集相同数据业务的节点，第一级子节点的下一级子节点通过反馈响应包告知第一级子节点其所采集的数据业务信息和数据传输所需的时隙需求，第一级子节点和下一级子节点建立父节点和子节点关系，父子节点是采集同种数据业务的节点，有利于对采集的数据进行融合；第一级子节点中的relay节点发送不包含躯干上业务节点所采集的业务类型信息的控制包给其附近的节点，其附近的节点判断该控制包中是否含有自身业务类型信息，若含有自身业务类型信息，则将该relay节点作为自身的父节点，否则拒绝；

步骤三，发送控制信息：sink节点发送控制包给它的子节点，其包中含有其记录子节点的数据传送需求信息，以TDMA的方式分配相应时隙给子节点并确定数据的传递顺序，这些子节点也按照一定的顺序生成自己的控制帧发送给自己的子节点，以此类推，在控制子周期中，各节点都知道自己的数据传递顺序；

步骤四，传送数据：各节点的数据传递顺序确定之后，进入数据传送阶段，树形结构中最后一级节点在自己的时隙内向自己的父节点发送采集的数据信息，并提供下一周期所需的时隙需求，数据沿着树形结构路由从下往上完成了数据的汇聚，sink节点将这些数据进行处理后提交控制中心；

所述sink节点，其作为中心控制节点直接控制每种数据信息的采集周期。

2.根据权利要求1所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，所述relay节点，其只转发位于躯干之外节点或移动性节点所采集的数据业务，通过relay节点转发数据可以节省能量，同时可以避免因手臂移动造成手臂两侧节点无法通信所带来的数据丢失。

3.根据权利要求1所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，所述采集各种数据业务的节点，其通过自己同类型的父节点转发信息，或者通过relay节点转发信息，或者直接与sink节点通信。

4.根据权利要求1所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，所述各节点建立的整个网络为多叉树形拓扑，各节点工作于同一GHz工作频率下。

5.根据权利要求1或4所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，所述各节点具有体外信道模型，采集不同数据业务的节点之间不能直接通信。

6.根据权利要求1所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，所述四肢上的数据业务节点，其利用移动性模型来提前预测移动节点的位置信息。

7.根据权利要求1所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，所述响应包，其通过设置节点业务类型字段以使同一工作频率下不同类型节点之间不能收发对方的数据包。

8.根据权利要求1所述的基于无线人体域网络的联合路由-多址接入方法，其特征是，步骤三和步骤四中，发送控制信息和传送数据的过程组成一个数据传送周期，如果连续两个数据传送周期完成之后父节点发现没有收到某个子节点的信息，则默认该子节点已经发生移动或者死亡，若该子节点为移动性节点，则在数据发送阶段该父节点提取该子节点移动模型中的移动信息并反馈给sink节点，sink节点在下一个周期内的控制帧发送阶段指定一个relay节点作为移动子节点的父节点，则该relay节点收到该控制信息之后，把该移动节点作为自己的子节点，并为其分配相应的时隙。

Images