CN101917335B - 一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，在人体上布置若干个节点；将节点的能量状况划分为满、较满、中等、较低、空5个等级；将节点产生的业务分成实时性要求高的业务和实时性要求低的业务2个等级；建立路由时，计算出每条路径中除去源节点和目的节点其他节点消耗的能量总和，在计算过程中引入能量系数；若为实时性要求较低的业务则选择一条消耗的能量总和最小的路径作为路由，若为实时性要求较高的业务则选择跳数最少的路径作为路由；建立路由之后在传输过程中还采用了协作传输的方法。这些措施最终保证网络中各个节点的能量能被均衡消耗，保证网络的连通性，延长网络的生存期。

Description

一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法

技术领域

本发明涉及一种无线体域网领域，具体涉及一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法。

背景技术

近年来，各种便携式无线设备纷纷涌现，人们把目光更多地转移到以人为中心的小型网络，个域网(Personal Area Network)、家域网(Home Area Network)、车域网(Vehicle AreaNetwork)及体域网(Body Area Network)等这些网络新名词也随之出现。便携式无线个人设备的微型化、智能化使得人们对人体范围内的无线体域网的研究兴趣越来越高。

无线体域网(Wireless Body Area Networks，WBAN)是最近几年在医疗健康领域发展起来的新兴技术，它主要应用于应急救护、远程医疗、家庭护理等场合。医学传感器被佩戴在人体上或者植入到人体内，监测得到病人的医学数据，通过低功耗的射频技术把这些医学数据传送到数据汇聚中心(sink)，通过sink进行数据的处理或者传送到医疗监控中心。对于正常的健康人，也可以通过无线体域网提供健康监测，如在运动员训练时，可以用来监测运动员的心律、体温以及运动速度等信息，提示运动员控制训练强度，提高训练效率。

无线体域网除了在医疗领域中扮演着重要角色之外，在人们的日常生活中也起着中重要的作用。残疾病人可以利用无线体域网来为自己定位、导航等。通过无线体域网，我们可以听音乐，看视频，甚至可以享受诸如发送电子邮件、浏览网页等Internet网络服务。布署在人体上的传感器可以获取音视频数据，然后通过WBAN把音视频数据以流的方式传送到具有流媒体播放能力的终端上。不过目前的WBAN如果要支持视频数据的传输，还要解决很多实际的技术问题。

无线体域网与现有无线传感器网络的区别是：1)无线传感器网络中大多数传感器节点是固定不动的，而无线体域网更多地考虑人体对整个网络的影响，将人体作为整个网络传感器节点的载体，它不仅影响节点之间的通信，而且人体四肢的运动会导致网络拓扑结构的变化。因此，无线体域网是一个动态的随人体一起运动的网络。2)与无线传感器网络相比，无线体域网对能量的要求更加苛刻，其发射功率要求更低。因此，无线体域网网络协议设计的首要目标是保证能量高效利用。

无线体域网中的节点大多由微型电池供电，系统的能量有限。医学传感器紧贴在人身体上，出于对人体辐射的考虑，无线通信能力受到了限制。由于节点能量有限，如果频繁地使用某些节点进行数据转发，则容易导致这些节点能量耗尽，网络连通性降低，最终导致网络生存期的降低。而采用哪些节点进行数据转发是由路由协议决定的，因此，如何能够有效地节省能耗并延长网络的生存期成为无线体域网路由协议研究的关键问题。

目前用于无线传感器网络的路由算法一般是基于最小跳数的路由协议，即选择的路径是最短路径。从能量的角度来看，最短路径并不一定是最佳路径，频繁使用最短路径，很容易导致网络中某些节点能量耗尽而死亡。因此要想延长整个网络的生存时间，保证网络连通性，必须采用一种能够均衡消耗整个网络能量的路由机制。同时，对于一些对服务质量要求比较高的业务，需要采取一定的措施保证服务质量。

AODV、DSDV、DSR等是Ad Hoc网络的一些经典路由算法，同时也被广泛应用在无线传感器网络中，但是这些算法并没有考虑节点能量的情况，采用这些算法不能保证网络中的各个节点的能量被均衡消耗，同时这些算法也没有考虑服务质量等问题；论文“一种新型的能量受限无线体域网路由协议”针对无线体域网提出一种基于DSR路由的新型能量受限无线体域网路由协议EE-DSR，但这种路由协议也并没有考虑服务质量，也没有采用协作通信等方法保证能量的均衡消耗，因而网络生存期短，同时实现起来也比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，在建立路由之后的信息传输过程中采用协作传输的方式，解决了现有体域网各节点的能量消耗不均衡、服务质量无法保证、网络生存期短的技术问题。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，包括以下步骤：

S1、在人体上布置若干个节点，为每个节点分配一个唯一的序列号，作为节点的物理地址；

S2、将步骤S1所布置的节点的能量状态划分为5个等级：满、较满、中等、较低、空；

S3、将节点产生的业务请求分成两个等级：实时性要求高的业务和实时性要求低的业务；

S4、当源节点有信息要传往目的节点时，则启动路由的建立过程，源节点向周围节点广播路由建立请求信息，路由建立请求信息中包括源节点序列号和目的节点序列号；

S5、其他节点收到源节点的路由建立请求信息后继续转发，最终形成N条从源节点到目的节点的路由路径；

S6、目的节点对各条路径和源节点产生的业务请求等级进行分析，若当前业务请求为实时性要求低的业务，则目的节点从N条路由路径中选择一条消耗的能量总和最小的路径作为从源节点到目的节点的路由；若当前业务请求为实时性要求高的业务，则目的节点从N条路由路径中选择一条跳数最少的路径作为从源节点到目的节点的路由。

上述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，还包括步骤：

S7、建立了从源节点到目的节点的路由后，信息在沿着所建立的路由路径传输过程中采用协作传输的方式转发数据。

所述协作传输具体为：若某一个不属于当前路由路径的节点同时处于路由路径中某一跳的发射节点和接收节点的通信范围内，且所述某一个不属于当前路由路径的节点当前电池电量状态为满或者较满，则所述某一个不属于当前路由路径的节点作为协作节点，协作这一跳的发射节点传输信息，接收节点接收到发射节点和协作节点的信息后对其进行合并。

上述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法中，步骤S2所述节点的能量状态划分为：当节点的电池电量接近0时，则为空状态；当节点的电池电量少于总电量30％时，则为较低状态；当节点的电池电量大于总电量30％小于总电量60％时，则为中等状态；当节点的电池电量大于总电量的60％小于总电量的90％时，则为较满状态；当节点的电池电量大于总电量的90％时，则为满状态。

上述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法中，步骤S6所述消耗的能量总和E_i的计算公式为：

$E_i=\underset{j=1}{\overset{h_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j*(E_r+E_t),$

其中E_t为发送一个数据单元所需平均能量；E_r为接收一个数据单元所需平均能量；C_j为节点的能量系数，能量状态为满、较满、中等、较低、空的节点的能量系数分别为1、2、3、4、5；h_i-1为源节点和目的节点之间的中间节点的个数。

上述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法中，步骤S6中，若当前业务请求为实时性要求高的业务，且跳数最少的路径大于或等于两条，则按照所述消耗的能量总和的计算公式分别计算出各条跳数最少的路径所需消耗的总能量，从中再选择一条消耗的能量总和最小的路径作为本次传输信息的路由。

上述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法中，步骤S1还将节点分为三大类，第一类节点是传感节点，用于监测人体状况，同时也用于转发信息；第二类节点是中继节点，只用于转发信息；第三类节点是信息汇集节点，信息汇聚节点通过外部无线网络接口与远程控制中心相连。

本发明的原理如下：将节点电池的剩余电量状况划分为满、较满、中等、较低、空5个等级，将节点产生的业务分成两个等级：实时性要求高的业务和实时性要求低的业务。建立路由时，先找出所有可以从源节点到达目的节点的路径，然后算出每条路径中除去源节点和目的节点之外的其他节点需要消耗的能量总和；在计算过程中引入能量系数，剩余能量较少的节点能量系数较大，剩余能量较少的节点能量系数较小。如果源节点产生的业务为实时性要求较低的业务，则从所有路径中选择一条能量消耗总和最小的路径作为当次传输的路由；若源节点产生的业务为实时性要求较高的业务，则选择从所有路径中选择跳数最少的路径作为路由，如果具有最少跳数的路径大于或等于两条，则从这些路径中再选择一条能量消耗总和最小的路径作为本次传输信息的路由。建立路由之后在通信信息的传输过程中还采用了协作传输的方式。

本发明相对于上述现有技术的优点和有益效果如下：

(1)保证网络中各个节点的能量均衡消耗：引入了能量系数，保护了剩余能量较少的节点，使数据能在多条路径上传输，各个节点均有承担信息转发的任务，这样便能均衡消耗整个网络中各个节点的能量，延长了整个网络的生存期，使网络不会因为某个节点能量消耗过多提前失去功能而出现故障。

(2)保证服务质量：对节点产生的业务请求划分等级，对实时性要求较高的业务使用跳数较少且尽可能能量均衡的路由，而对实时性要求不高的业务则采用能量均衡的路由从而尽量保证节点的能量均衡消耗，此方法满足了不同等级业务的需要，保证了对时延比较敏感的业务的服务质量。

(3)建立路由之后的信息传输采用多跳协作传输的方式，进一步保证能量的均衡消耗。由于通信信息在传输的过程中采用了协作传输的方式，因此电池电量状态较满的节点会协助路由路径中的节点进行数据传递，使网络中的各个节点的能量得到更加均匀的消耗。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为体域网的总体网络框架；

图3为简化网络中的所有可能的路由路径；

图4为路由路径中信息的协作传输。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明为一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、如图2所示，在人体上布置若干个节点，为每个节点分配一个唯一的序列号，作为节点的物理地址，使各个节点直接能准确地相互识别；并将节点分为三大类，第一类节点是传感节点，用于监测人体状况，同时也用于转发信息；第二类节点是中继节点，只用于转发信息，中继节点均匀地分布在人体上；第三类节点是信息汇集节点，信息汇集节点一般是处理能力较强并且容易充电的终端，如手机、PDA等，信息汇聚节点通过各种外部无线网络接口如WLAN、蓝牙、蜂窝网等与远程控制中心相连，远程控制中心根据人体域网发出的各种消息进行相应的处理协调。

每个节点的通信半径为r，只有在距离某节点r范围内的其他节点才能收到此节点发出的信息，r一般为30-50mm。

S2、将步骤S1所布置的节点目前的电池电量状态(也称为节点的能量状态)划分为5个等级：满、较满、中等、较低、空，当电池电量接近0时，则为空状态；当电池电量少于总电量30％时，则为较低状态；当电池电量大于总电量30％小于总电量60％时，则为中等状态；当电池电量大于总电量的60％小于总电量的90％时，则为较满状态；当电池电量大于总电量的90％时，则为满状态。满、较满、中等、较低、空五种电池电量状态分别编号为1、2、3、4、5。所有的节点每隔一段时间T向全网广播其目前电池能量状态。

S3、将节点产生的业务请求分成两个等级：实时性要求高的业务和实时性要求低的业务。

S4、当源节点有信息要传往目的节点(本发明中一般为信息汇集节点)时，则启动路由的建立过程，源节点向周围节点广播路由建立请求信息，路由建立请求信息中包括源节点序列号、目的节点序列号等。

S5、其他节点收到源节点的路由建立请求信息后会继续转发，最终会形成N条从源节点到目的节点的路由路径，记为P₁、P₂、。。。、P_N，每条路径分别有h_i(i＝1、2、。。。、N)跳，每条路径中源节点和目的节点之间的中间节点标记为n₁，n₂，。。。、n_hi-1。

如图3所示，为了方便描述，假设当前网络由节点S、A、B、C、D、E和信息汇聚节点R组成，且设节点A、B、C、D、E当前电池剩余能量状态分别为3、2、5、1、2，S为源节点，当前正发起一次业务请求，由于节点的通信半径只有r，因此从S到R总共有三条路径，路径1为S-＞B-＞D-＞E-＞R，路径2为S-＞B-＞C-＞R，路径3为S-＞A-＞C-＞R，路径1有3跳，路径2和3都有2跳。

S6、目的节点对各条路径和源节点产生的业务请求等级进行分析，若当前业务请求为实时性要求低的业务，则目的节点从所有可能的路径(即步骤S5所述的N条路由路径)中选择一条消耗的能量总和最小的路径作为从源节点到目的节点的路由。具体选择方法如下：

设节点发送一个数据单元所需平均能量为E_t，接收一个数据单元所需平均能量为E_r，若不考虑整个网络所有节点的能量均衡消耗，则路径P_i(i＝1、2、。。。、N)中源节点和目的节点之间的(h_i-1)个中间节点消耗的能量总和为：

E_i＝(h_i-1)*(E_r+E_t)，

在上述图3所示的简化网络中，3条路径消耗的能量总和分别为3(E_r+E_t)、2(E_r+E_t)、2(E_r+E_t)，如此则会选择路径2或3作为本次传输信息的路由，但节点C当前的电池电量状态为极低，如果仍然选择路径2或3作为路由，则节点C的能量很可能马上就消耗殆尽，这样信息在传输的过程中会出错，同时网络的完整性得不到保证，网络的生存期会大大降低。因此，为了使数据能在多条路径上传输，均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期，需要保护剩余能量较少的节点，此时引入节点的能量系数C_j(j＝1、2、...、h_i-1)，若节点n_j的能量状态为1，则C_j为1；若节点n_j的能量状态为2，则C_j为2；若节点n_j的能量状态为3，则C_j为3；若节点n_j的能量状态为4，则C_j为4；若节点n_j的能量状态为5，则C_j为5；加入能量系数后，则路径消耗的能量总和为：

$E_i=\underset{j=1}{\overset{h_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j*(E_r+E_t),$

按照此公式算出路径P₁、P₂、...、P_N所需消耗的总能量，从中选择一条消耗的能量总和最小的路径作为本次传输信息的路由(即从源节点到目的节点的路由)。

在图3所示的简化网络中，按照此公式可以算出此时路径1、2、3所需消耗的总能量分别为5(E_r+E_t)、7(E_r+E_t)、8(E_r+E_t)，从这3条路径中选择能量消耗总和最小的路径即路径1作为本次传输信息的路由，这样虽然在跳数上增加了一跳，但由于路径1上的节点剩余能量都比较充足，虽然实际上一次传输消耗的总能量会增加，却可使网络中节点的能量得到均衡消耗，保证网络的连通性。

若当前业务请求为实时性要求高的业务，则此业务对信息传输的时延会比较敏感，要求传输时延尽量低，则目的节点需要从所有可能的路径(即步骤S5所述的N条路由路径)中选择一条跳数最少的路径作为从源节点到目的节点的路由。优选地，若跳数最少的路径大于或等于两条，则按照上述消耗的能量总和的计算公式分别计算出各条跳数最少的路径所需消耗的总能量，从中再选择一条消耗的能量总和最小的路径作为本次传输信息的路由(即从源节点到目的节点的路由)。

在图3所示的简化网络中，此时路径2和3跳数最少，并且路径2引入能量系数的总能量消耗比路径3低，因此此次传输会采用路径2作为路由。

S7、建立了从源节点到目的节点的路由后，信息在沿着所建立的路由路径传输过程中采用协作传输的方式转发数据。所述协作传输具体为：若某一个不属于当前路由路径的节点同时处于路由路径中某一跳的发射节点和接收节点的通信范围内，且该节点当前电池电量状态为满或者较满，则该节点作为协作节点，协作这一跳的发射节点传输信息，接收节点接收到发射节点和协作节点的信息后对其进行合并。如果有2个或2个以上不属于当前路由路径的节点同时处于路由路径中某一跳的发射节点和接收节点的通信范围内，则选择电池电量状态为满的那个节点作为协作节点。

假设没有协作传输前发射节点发送信息时需要的功率为P，则采用协作传输后发射节点只需要P₁的功率，P₁＝(80～90)％·P，协作节点收到发射节点发送的信息后对其进行放大，然后以功率P₂转发给接收节点，P₁+P₂＝P，接收节点接收到发射节点和协作节点的信息后对其进行合并，如此更能均匀的消耗网络中各节点的能量。

如图4所示的路由路径中，节点D同时处于节点A和B的通信范围内，节点E同时处于节点B和C的通信范围内，且节点D、E目前的能量状态为满，则节点D会协助节点A进行数据传输，节点E会协助节点B进行数据传输，若节点A以0.9P功率发射信息，则节点D收到信息后会对其进行放大并以0.1P的功率转发数据，最后节点B对从节点A和D接收到的信息进行合并，E的工作原理同D。采用了协作传输后网络中节点的能量便能得到更均匀的利用。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在人体上布置若干个节点，为每个节点分配一个唯一的序列号，作为节点的物理地址；

S2、将步骤S1所布置的节点的能量状态划分为5个等级：满、较满、中等、较低、空；

S3、将节点产生的业务请求分成两个等级：实时性要求高的业务和实时性要求低的业务；

S4、当源节点有信息要传往目的节点时，则启动路由的建立过程，源节点向周围节点广播路由建立请求信息，路由建立请求信息中包括源节点序列号和目的节点序列号；

S5、其他节点收到源节点的路由建立请求信息后继续转发，最终形成N条从源节点到目的节点的路由路径；

S6、目的节点对各条路径和源节点产生的业务请求等级进行分析，若当前业务请求为实时性要求低的业务，则目的节点从N条路由路径中选择一条消耗的能量总和最小的路径作为从源节点到目的节点的路由；若当前业务请求为实时性要求高的业务，则目的节点从N条路由路径中选择一条跳数最少的路径作为从源节点到目的节点的路由。

2.根据权利要求1所述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，还包括步骤：

S7、建立了从源节点到目的节点的路由后，信息在沿着所建立的路由路径传输过程中采用协作传输的方式转发数据。

3.根据权利要求2所述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，所述协作传输具体为：若某一个不属于当前路由路径的节点同时处于路由路径中某一跳的发射节点和接收节点的通信范围内，且所述某一个不属于当前路由路径的节点当前电池电量状态为满或者较满，则所述某一个不属于当前路由路径的节点作为协作节点，协作这一跳的发射节点传输信息，接收节点接收到发射节点和协作节点的信息后对其进行合并。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，步骤S2所述节点的能量状态划分为：当节点的电池电量接近0时，则为空状态；当节点的电池电量少于总电量30％时，则为较低状态；当节点的电池电量大于总电量30％小于总电量60％时，则为中等状态；当节点的电池电量大于总电量的60％小于总电量的90％时，则为较满状态；当节点的电池电量大于总电量的90％时，则为满状态。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，步骤S6所述消耗的能量总和E_i的计算公式为：

$E_i=\underset{j=1}{\overset{h_i-1}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j*(E_r+E_t),$

其中E_t为发送一个数据单元所需平均能量；E_r为接收一个数据单元所需平均能量；C_j为节点的能量系数，能量状态为满、较满、中等、较低、空的节点的能量系数分别为1、2、3、4、5；h_i-1为源节点和目的节点之间的中间节点的个数。

6.根据权利要求5所述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，步骤S6中，若当前业务请求为实时性要求高的业务，且跳数最少的路径大于或等于两条，则按照所述消耗的能量总和的计算公式分别计算出各条跳数最少的路径所需消耗的总能量，从中再选择一条消耗的能量总和最小的路径作为本次传输信息的路由。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的保证服务质量的体域网多跳协作能量均衡路由方法，其特征在于，步骤S1还将节点分为三大类，第一类节点是传感节点，用于监测人体状况，同时也用于转发信息；第二类节点是中继节点，只用于转发信息；第三类节点是信息汇集节点，信息汇聚节点通过外部无线网络接口与远程控制中心相连。

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