CN105101334A - 一种多wban共存网络协同组网方法 - Google Patents

一种多wban共存网络协同组网方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多WBAN共存网络中基于加权组簇的低能耗协同组网方法，它应用于多WBAN共存场景，主要解决可穿戴设备使用WiFi通信引起的高能耗问题。该方法基于WiFi与蓝牙相结合的基础上，引入加权组簇策略，寻找剩余能量较高、移动速度较低、距离基站较近的终端作为簇头，簇头使用蓝牙与相邻用户的设备通信，收集数据并使用WiFi与AP进行通信。在保证用户通信质量的前提下，减少设备WiFi接口不必要的能量开销，提高网络能量利用效率，延长可穿戴设备使用时间，使整个网络的具有更长的稳定通信寿命。

Description

一种多WBAN共存网络协同组网方法
技术领域
本发明属于无线通信领域，涉及可穿戴设备在多WBAN共存网络中利用WiFi和蓝牙进行协同通信以及加权组簇的技术。
背景技术
随着可穿戴技术的飞速发展，可穿戴设备已经广泛应用于医疗看护、健康监测等领域。由于可穿戴设备传感器体积小，携带的能量资源有限，如何在保证高质量用户体验的同时，延长可穿戴设备的使用时间，成为当今面临的主要挑战之一。随着当前WBAN用户数量的增加，在一定地理范围内各个用户的可穿戴设备形成多WBAN共存的网络体系，相对于孤立的WBAN网络，多WBAN共存的网络场景为能耗节省方案提供了更多的可能性。
在传统的WBAN网络中，用户携带的通信终端收集用户身上可穿戴设备产生的业务数据，通过WiFi/GSM与AP进行信息交互。例如，医疗监测WBAN中，用户穿戴的传感器将数据发送给用户携带的协调器(如手机)，协调器通过WiFi/GSM将采集到的用户身体状况发送给AP，再由医院方面接收信息并进行监控。WiFi通信具有高能耗、高速率的特点。然而在医疗看护和健康监测WBAN中，用户设备产生的业务数据量并不高，WiFi接口大部分时间处于待机状态，高昂的待机能耗大幅缩短了WBAN网络的工作寿命。
蓝牙作为一种低能耗的通信技术，已经广泛应用于手机和许多可穿戴设备，用来实现短距离内设备的信息交互。然而蓝牙通信具有低速率、短距离的局限性，不适用于高数据率，长距离通信。在WBAN中同时使用WiFi和蓝牙技术，利用蓝牙取代部分WiFi，不仅节省待机能耗，更提高能量利用效率，达到延长网络寿命的目的。
经对现有文献检索发现，T.Pering等人在《WearableComputers,2008.ISWC2008.12thIEEEInternationalSymposium》上发表的“SwitchR:ReducingSystemPowerConsumptioninaMulti-Client,Multi-RadioEnvironment”文章中提出了一种基于蓝牙技术的低能耗可穿戴设备组网方法。该方法利用蓝牙实现设备与gateway之间的通信，蓝牙gateway收集周围节点业务数据，并利用WiFi与AP通信。当Bluetooth无法承载当前数据率时，用户设备才启用WiFi接口，减少了WiFi接口工作的时间。但是该方法要求AP同时具有WiFi和蓝牙接口，对AP端硬件设施有一定要求，且AP需要同时处理不同频段的信号，增加了AP的管理开销。
另经检索发现，Jong-WoonYoo等人在《IEEETRANSACTIONSONMOBILECOMPUTING,VOL.10,NO.5,APRIL2011》上发表的“ACooperativeClusteringProtocolforEnergySavingofMobileDeviceswithWLANandBluetoothInterfaces”文章中提出CONET方法，在用户设备间引入基于能量的组簇算法，用户设备之间通过蓝牙进行成簇，簇头节点通过蓝牙收集簇内子节点信息，并利用WiFi与AP进行通信，该方案不要求AP支持蓝牙，同时对于小范围具有一定规模的网络，能够较为有效的降低网络能耗。然而该方案并没有考虑用户的移动速度、地理位置等因素，当簇头移动速度较快，距离AP较远时，子节点出现通信失败概率较大。此外，由于蓝牙通信的短距离特性，组簇结果受到用户地理位置分布的影响，可能由于节点的线性拓扑结构导致组簇失败的问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种多WBAN共存网络协同组网方法，在WBAN网络分布较为集中的场所，通过使用WiFi和蓝牙协同组网的方式来节省功耗。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题用户设备产生的业务数据量并不高，WiFi接口大部分时间处于待机状态，高昂的待机能耗大幅缩短了WBAN网络的工作寿命。
为实现上述目的，本发明提供了一种多WBAN共存网络协同组网方法，所述方法包括利用WiFi和蓝牙协同组网，并设置每个WBAN用户为一个节点，根据所述节点的工作状态选择合适的簇头，所述簇头内子节点使用蓝牙代替WiFi进行通信，并且所述节点间轮流当选所述簇头。
进一步地，所述节点间轮流当选所述簇头，包括权重计算与广播阶段、权重比较阶段及延迟竞选阶段。
进一步地，所述权重计算与广播阶段包括下列步骤：
1-1)采用自适应加权算法，每个所述节点计算出自己的权重，计算公式为：
W＝αE/E_max-βV/V_max-γS/S_max
其中，W为节点权重，E为节点剩余能量，E_max为节点最大储能，V为节点移动速度，V_max为节点最大移动速度(通常以10m/s计算)，S为节点与AP距离，S_max为WiFi有效通信距离；α、β、γ为加权系数，三者均为正数，且满足α+β+γ＝1；
1-2)通过蓝牙广播给周围节点。
进一步地，所述权重比较阶段包括下列步骤：
2-1)对于每个所述节点，将自身权重和蓝牙通信范围内其他节点的权重进行比较，如果存在比自己权重更大的节点，则放弃簇头竞选，并进入收听模式；
2-2)如果自身权重最大，则成为簇头；
2-3)成为簇头的节点向周围发送簇头广播，处于所述收听模式的节点收到簇头广播，则向所述簇头发送入簇申请；
2-4)所述簇头收到某一节点的入簇申请后，首先判断加入该节点后，整个簇产生的数据率是否超过蓝牙带宽；如果未超过，则接受入簇申请；否则拒绝入簇申请。
进一步地，所述延迟竞选阶段包括下列步骤：
3-1)对于在所述权重比较阶段未成为簇头的节点根据自身权重设置监听时间T，在监听时间内，节点设置为收听模式，收听簇头广播；监听时间T计算公式为：
其中T为监听时间，T_0为单次通信时间(单位为毫秒)，N为离散化系数，W为节点权重，W_max为权重最大可能取值，其值为α，即节点满足E＝E_max，V＝0，S＝0的条件时W的取值；
3-2)处于收听模式的节点，收到簇头广播后，保存簇头信息并建立候选簇头列表，选择其中权重最大的簇头发送入簇申请；如果入簇申请被拒绝，则从簇头列表中删除该簇头，向剩余候选簇头中权重最大簇头发送入簇申请；如果列表为空，则保持收听模式，直至收到簇头广播或监听时间T结束；
3-3)如果节点经过监听时间T后仍未入簇且簇头列表为空，则成为簇头并发送簇头广播。
进一步地，所述监听时间的最大取值为：
即节点E近似于0，V＝V_max，S＝S_max时的监听时间；组簇阶段耗时取决于T_max以及权重计算和广播时间之和。
进一步地，所述监听时间T计算公式中，单次通信时间T_0数值上为簇头广播传播时间加上软件处理时间，与设备性能和场景有关。
进一步地，所述离散化系数N决定组簇耗时和灵敏度，N越大，相近权重节点越容易区分，但同时组簇阶段耗时增长；N越小，组簇阶段耗时越小，但权重相近的节点越难区分。
进一步地，所述离散化系数N取值范围为20-50。
进一步地，系数α、β、γ根据应用场景的不同需求选取相应合适的数值。
在本发明的较佳实施方式中，基于现有方法的不足，本发明提出一种基于加权分簇和延迟竞选的多WBAN周期性组网方法。在该方法中，WBAN节点根据用户携带通信终端的剩余能量、移动速度、地理位置等因素，生成自身的权重，并选择权重最大的节点成为簇头。这样可以减小因为选择移动速度较大、距离AP较远的节点作为簇头引起的通信失败概率，提升簇的稳定性。例如，当某一节点剩余能量较高，但移动速度较快时，从能量角度，该节点作为簇头的优先级较高。但是从簇的稳定性角度，选择移动速度快的节点作为簇头，很容易出现簇内子节点和簇头距离超过蓝牙的通信范围，从而导致通信失败的问题。同样的，与AP相距较远(但仍在WiFi通信范围内)的节点，从通信质量角度考虑，相对不适合成为簇头。因此需要综合考虑节点的多种参数，选择最合适的簇头节点。
此外，该方法在组簇阶段，通过引入计时器，利用延迟竞选的方式，将权重量化为收听时间，使所有节点均可以在有限时间内完成组簇，避免边缘节点组簇失败的问题。由于蓝牙的通信距离有限，每个节点只能获得周围节点的权重信息，分簇时会由于节点的线性拓扑结构出现组簇失败。例如，如果存在三个节点A、B、C，其权重依次减小，且根据蓝牙通信距离和节点地理位置信息，A与B可以通信，B与C可以通信，A与C不能通信，此时便会产生排队，即B由于发现A的权重大于自身，而放弃竞选簇头，C发现B的权重大于自身而放弃竞选簇头。B加入到A的簇内，C则组簇失败。基于权重的延迟竞选策略能有效的解决排队问题，其方法描述如下。
本方法的实现过程主要分为权重计算与广播阶段、权重比较阶段及延迟竞选三个阶段。
1.权重计算与广播阶段
本方法的权重根据WBAN节点的剩余能量、移动速度、与基站间距离三个参数计算而成。采用自适应加权算法，权重计算公式为
W＝αE/E_max-βV/V_max-γS/S_max
其中，W为节点权重，E为节点剩余能量，E_max为节点最大储能，V为节点移动速度，V_max为节点最大移动速度(通常以10m/s计算)，S为节点与AP距离，S_max为WiFi有效通信距离。α、β、γ为加权系数，三者均为正数，且满足α+β+γ＝1。
基于此权重计算公式，每个节点根据自身相关参数计算出自己竞选簇头的权重，并通过蓝牙广播给周围节点。
2.权重比较阶段
此阶段基于权重进行第一轮簇头竞选，分为簇头判断、簇头广播、入簇申请、申请处理四个步骤。
首先对于每个节点，将自身权重和蓝牙通信范围内其他节点的权重进行比较，如果存在比自己权重更大的节点，则放弃簇头竞选，根据自身权重设置相应监听时间，并进入收听模式，详见延迟竞选阶段；如果自身权重最大，则成为簇头。
成为簇头的节点向周围发送簇头广播，处于收听模式的节点收到簇头广播，则向簇头发送入簇申请。
簇头收到某一节点的入簇申请后，首先判断加入该节点后，整个簇产生的数据率是否超过蓝牙带宽。如果未超过，则接受入簇申请；否则拒绝入簇申请。
3.延迟竞选阶段
对于在权重比较阶段未成为簇头的节点。根据自身权重设置监听时间T，在监听时间内，节点设置为收听模式，收听簇头广播。监听时间T计算公式如下：
其中T为收听时长，T_0为单次通信时间(单位为毫秒)。N为离散化系数，W为节点权重。W_max为权重最大可能取值，其值为α，即节点满足E＝E_max，V＝0，S＝0的条件时W的取值。
处于收听模式的节点，收到簇头广播后，保存簇头信息并建立候选簇头列表，选择其中权重最大的簇头发送入簇申请。如果入簇申请被拒绝，则从簇头列表中删除该簇头，向剩余候选簇头中权重最大簇头发送入簇申请。如果列表为空，则保持收听模式，直至收到簇头广播或监听时间T结束。
如果节点经过监听时间T后仍未入簇且簇头列表为空，则成为簇头并发送簇头广播。
监听时间T计算公式中，单次通信时间T_0与设备性能和场景有关，数值上为簇头广播传播时间加上软件处理时间。N决定组簇耗时和灵敏度，N越大，相近权重节点越容易区分，但同时组簇阶段耗时增长。N越小，组簇阶段耗时越小，但权重相近的节点越难区分。权重差异小的节点会设置相同监听时间T，导致权重较小节点无法收到较大节点的簇头广播。
监听时间的最大取值为，即节点E近似于0，V＝V_max，S＝S_max时的监听时间。组簇阶段耗时取决于T_max以及权重计算和广播时间之和。
通过使用延迟竞选，即将簇头间的权重比较转化为簇头自身根据权重延迟参与簇头竞选，权重越高的节点越早可能成为簇头，权重越低的节点则需经过较长收听时间才可能成为簇头，解决了蓝牙通信距离短而引起的组簇失败问题。但对于权重近似相等的场景，区分近似权重节点具有一定困难，因此与权重比较方法相结合。先通过权重比较阶段，生成第一批簇头，实际应用中，对于用户随机分布的场景，该阶段大部分节点可以成功组簇。再利用延迟竞选，使剩余节点组簇，避免线性拓扑结构导致的组簇失败。
WBAN用户的协调器使用WiFi和GSM与AP通信，每个WBAN用户可以视为一个节点，该方法在利用WiFi和蓝牙协同组网的基础上，引入加权分簇策略。从而根据节点工作状态选择合适的簇头，簇内子节点使用蓝牙代替WiFi进行通信，在保证用户通信质量的前提下，节省WiFi通信的待机能耗，提高网络能量利用效率。同时通过节点间轮流当选簇头，延长整个网络的工作寿命。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的多WBAN共存网络场景图；
图2是本发明一个较佳实施例的多WBAN分簇组网算法流程图；
图3是本发明一个较佳实施例的节点线性拓扑场景图；
图4是本发明一个较佳实施例的节点线性拓扑场景下成簇效果图。
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。
本发明的这个实施例适用于多WBAN共存的医用监测网络。系统模型如图1所示。发明方法中包括权重计算与广播，权重比较和延迟竞选三个阶段，其算法流程图如图2所示。本方法采用周期性组簇，在每个通信周期结束后，所有节点进行一次组簇，组簇阶段时长由最大监听时间T_max加上权重计算和广播时间得到。其中阶段I——权重计算与广播阶段包括以下步骤：
步骤1：每个WBAN节点通过通信终端传感器测量自身剩余能量E、运动速度V、与AP间距离S。得到并记录数据后执行步骤2。
步骤2：根据公式
W＝αE/E_max-βV/V_max-γS/S_max
节点计算并记录自身权重。其中系数α、β、γ根据应用场景的不同需求选取相应合适的数值。在节点移动性较低，侧重于能耗的医疗监测网络中，α取较大值，β取较小值。例如α＝0.6、β＝0.2、γ＝0.2。记录权重后执行步骤3。
步骤3：节点通过蓝牙广播自身权重，并接收来自周围节点的权重广播。每个节点记录接收到的周围节点ID与相应权重。
经过权重计算与广播，每个WBAN节点均得知自身与周围节点的权重。由于蓝牙短距离、低速率的特性，节点只能得知周围较短范围内其他节点的信息，且簇的规模受到蓝牙带宽的限制。通过权重比较和延迟竞选策略，使得组簇后通信能耗降低，通信时延满足用户需求，同时通信失败概率尽可能小。
阶段II和阶段III——权重比较和延迟竞选阶段包括以下步骤：
步骤1：对于每个WBAN节点，(如何知道其它节点的权重)根据权重计算与广播阶段收到的周围节点权重，判断自身权重是否最大，若自身权重最大，则执行步骤2。若自身权重不为最大，则执行步骤7。
步骤2：节点成为簇头，并发布簇头广播。执行步骤3。
步骤3：收听来自其他节点的入簇请求。入簇请求中包含申请节点数据率的估计值。簇头计算该簇纳入申请人节点后簇内各节点的数据率总和，并与蓝牙带宽相比较。
如果计算得到的数据率总和不超过蓝牙带宽，则执行步骤4，否则执行步骤5。
步骤4：簇头接受入簇请求，并向申请人节点发送接受信息，执行步骤6。
步骤5：簇头拒绝入簇请求，并向申请人节点发送拒绝信息，执行步骤6。
步骤6：簇头节点根据时钟判断组簇阶段是否结束。如果组簇阶段时间结束，则组簇结束，并进入数据通信阶段；如果组簇阶段未结束，则执行步骤3。
步骤7：节点根据权重设置监听计时，监听计时计算公式为：
其中T为收听时长，T_0为单次通信时间，时间单位为毫秒。N为离散化系数，W为节点权重，W_max为权重最大可能取值,其值为α。
单位广播时间T_0可以通过簇头广播传播时间加上软件处理时间获得。在医疗监测网络中，由于网络规模不大，通常离散化系数N设置较小，可取值20-50。取值越大，权重区分越灵敏，在节点权重近似相等的情形下性能越好，但相应的组簇阶段耗时增加。
如图3所示，在该场景下，圆形交叠部分表示蓝牙通信范围，节点A、B、C、D、E通过蓝牙只能和相邻节点通信，根据阶段I所述的权重计算公式，节点权重如图所示。经过步骤1的权重比较，只有节点A成为簇头，节点B加入节点A簇内。而节点C、D、E均收不到簇头广播。因此利用延迟竞选方法，实现C、D、E的组簇。
设置计时器后，执行步骤8。
步骤8：节点进入收听模式，监听簇头广播并记录簇头ID至候选簇头列表，执行步骤9。
步骤9：如果候选列表不为空，则执行步骤10；如果候选列表为空，且监听计时未结束，执行步骤8；如果候选列表为空，且监听计时结束，则执行步骤2。
步骤10：向候选列表中权重最大的簇头发送入簇申请，如果申请被接受，执行步骤11；否则执行步骤12。
步骤11：节点加入簇内，清空候选列表，并待机至组簇结束。
步骤12：将当前申请簇头从候选列表删除，执行步骤8。
如图4所示，根据上述方法，节点C由于权重大于D和E，故监听时间Tc小于TD和TE，经过Tc后，节点C候选列表为空，因此执行步骤2，成为簇头，节点D收到节点C的簇头广播后加入簇内。节点E在监听时间结束后，成为簇头。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述方法包括利用WiFi和蓝牙协同组网，并设置每个WBAN用户为一个节点，根据所述节点的工作状态选择合适的簇头，所述簇头内子节点使用蓝牙代替WiFi进行通信，并且所述节点间轮流当选所述簇头。
2.如权利要求1所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述节点间轮流当选所述簇头，包括权重计算与广播阶段、权重比较阶段及延迟竞选阶段。
3.如权利要求2所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述权重计算与广播阶段包括下列步骤：
1-1)采用自适应加权算法，每个所述节点计算出自己的权重，计算公式为：
W＝αE/E_max-βV/V_max-γS/S_max
其中，W为节点权重，E为节点剩余能量，E_max为节点最大储能，V为节点移动速度，V_max为节点最大移动速度(通常以10m/s计算)，S为节点与AP距离，S_max为WiFi有效通信距离；α、β、γ为加权系数，三者均为正数，且满足α+β+γ＝1；
1-2)通过蓝牙广播给周围节点。
4.如权利要求3所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述权重比较阶段包括下列步骤：
2-1)对于每个所述节点，将自身权重和蓝牙通信范围内其他节点的权重进行比较，如果存在比自己权重更大的节点，则放弃簇头竞选，并进入收听模式；
2-2)如果自身权重最大，则成为簇头；
2-3)成为簇头的节点向周围发送簇头广播，处于所述收听模式的节点收到簇头广播，则向所述簇头发送入簇申请；
2-4)所述簇头收到某一节点的入簇申请后，首先判断加入该节点后，整个簇产生的数据率是否超过蓝牙带宽；如果未超过，则接受入簇申请；否则拒绝入簇申请。
5.如权利要求4所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述延迟竞选阶段包括下列步骤：
3-1)对于在所述权重比较阶段未成为簇头的节点根据自身权重设置监听时间T，在监听时间内，节点设置为收听模式，收听簇头广播；监听时间T计算公式为：
其中T为监听时间，T_0为单次通信时间(单位为毫秒)，N为离散化系数，W为节点权重，W_max为权重最大可能取值，其值为α，即节点满足E＝E_max，V＝0，S＝0的条件时W的取值；
3-2)处于收听模式的节点，收到簇头广播后，保存簇头信息并建立候选簇头列表，选择其中权重最大的簇头发送入簇申请；如果入簇申请被拒绝，则从簇头列表中删除该簇头，向剩余候选簇头中权重最大簇头发送入簇申请；如果列表为空，则保持收听模式，直至收到簇头广播或监听时间T结束；
3-3)如果节点经过监听时间T后仍未入簇且簇头列表为空，则成为簇头并发送簇头广播。
6.如权利要求5所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述监听时间的最大取值为：
即节点E近似于0，V＝V_max，S＝S_max时的监听时间；组簇阶段耗时取决于T_max以及权重计算和广播时间之和。
7.如权利要求5所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述监听时间T计算公式中，单次通信时间T_0数值上为簇头广播传播时间加上软件处理时间，与设备性能和场景有关。
8.如权利要求5所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述离散化系数N决定组簇耗时和灵敏度，N越大，相近权重节点越容易区分，但同时组簇阶段耗时增长；N越小，组簇阶段耗时越小，但权重相近的节点越难区分。
9.如权利要求8所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述离散化系数N取值范围为20-50。
10.如权利要求3所述的多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，系数α、β、γ根据应用场景的不同需求选取相应合适的数值。
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