CN111641992B - Wban中基于多中继的增量协作通信传输协议 - Google Patents
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Abstract
WBAN中基于多中继的增量协作通信传输协议，涉及通信技术领域，采用增量协作的方式对数据进行传输，根据目的节点数据传输的短反馈信息判断是否使用中继，仅在直接传输失败时采用中继进行协作。本发明有益效果：与现有的协作传输策略相比，有效地减少了传感器节点数据的重传，增强了网络的可靠性，提供了更好的性能。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及WBAN中基于多中继的增量协作通信传输协议。
背景技术
在WBAN中，传感器节点的低能耗以及可靠、快速的数据传输至关重要。在传感器节点和目的节点之间的直接传输失败时，需要有效且可靠的WBAN协作通信传输，以确保传感器节点的高吞吐量和低能耗。传统的协作通信传输无法充分利用信道资源，因为中继总是将源信号转发到目的地而不考虑信道条件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供WBAN中基于多中继的增量协作通信传输协议，解决传统的协作通信传输无法充分利用信道资源等问题，进一步改善网络的性能。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：WBAN中基于多中继的增量协作通信传输协议，所述WBAN网络系统中包含n个传感器节点、m个中继节点和1个协调器，包括以下3个阶段：
一、网络初始化开始，协调器向全网广播一个初始消息，通知所有传感器节点和中继节点的位置，且使每个传感器节点都分配有唯一的ID信息，所有传感器节点存储这些位置，并向中继节点广播由网络位置、能量状态和ID信息组成的信息包；
二、在数据传输的第一阶段，源节点将数据包发送到目的节点，该数据由其m个潜在中继R1、R2和R3侦听，在目的节点处，其根据接收数据包的误码率BER与预定阈值的比较，选择发送ACK或者NACK信息，如果接收数据包的误码率BER小于预定的阈值，则表明数据传输成功，此时目的节点向网络中的中继节点广播一个ACK信息，中继节点在接收到此信息后丢弃从传感器节点接收的数据包，并保持空闲状态以节省能量；而如果接收数据包的误码率BER大于预定的阈值，则目的节点将丢弃该数据包，并向网络中的中继节点广播一个NACK信息，表明数据包接收失败，需要采用网络中的潜在中继进行协作传输，这时中继节点将从传感器节点接收到的数据包发送至目的节点，完成协作传输过程；
三、监听到NACK信息后，如果R1中继节点在第一阶段已正确接收并解码数据包，则在第二阶段将其转发到目的地，如果在目的节点以可接受的误码率BER接收到数据包，则表明协作的第二阶段传输完成，相反，如果目的节点无法检测到R1中继节点发送的数据包，则从R2中继节点将数据包转发到目的节点；如果目的节点由于误码率BER较高而再次无法从R2中继节点接收到数据包，则表明R2中继节点的第三阶段协作传输失败，采用R3中继节点开始第四阶段的协作传输；依次类推，直到目的节点能够成功解码数据包，如果直到第m个中继节点也不能协作传输完成，该数据包视为已丢弃。
本发明所述目的节点接收数据包的误码率BER的计算方法为：其中，Pb表示误码率BER的值，Eb表示每比特的能量，N0表示噪声功率谱密度，Eb/N0＝γ为信噪比SNR。
本发明的有益效果是：采用增量协作的方式对数据进行传输，根据目的节点数据传输的短反馈信息判断是否使用中继，仅在直接传输失败时采用中继进行协作。本发明与现有的协作传输策略相比，有效地减少了传感器节点数据的重传，增强了网络的可靠性，提供了更好的性能。
附图说明
图1为本发明网络模型示意图；
图2为本发明协作通信传输协议的传输流程示意图；
图3为本发明仿真实验中两种传输协议的网络寿命对比图；
图4为本发明仿真试验中两种传输协议的网络剩余能量的分析对比图；
图5为本发明仿真实验中两种传输协议的丢失数据包数量的分析对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式(实施例)进行描述，使本领域的技术人员能够更好地理解本发明。
WBAN中基于多中继的增量协作通信传输协议，假设所述WBAN网络系统中包含n个传感器节点、3个中继节点和1个协调器，则所述通信传输协议分为四个阶段。网络初始化开始，协调器向全网广播一个初始消息，通知所有传感器节点和中继节点的位置，且使每个传感器节点都分配有唯一的ID信息。所有传感器节点存储这些位置，并向中继节点广播由网络位置、能量状态和ID信息组成的信息包。
在数据传输的第一阶段，源节点将数据传输到目的节点，该数据由其三个潜在中继R1、R2和R3侦听。在目的节点处，其根据接收数据包的误码率BER与预定阈值的比较，选择发送ACK或者NACK信息。如果接收数据包的误码率BER小于预定的阈值，则表明数据传输成功，此时目的节点向网络中的中继节点广播一个ACK信息，中继节点在接收到此信息后丢弃从传感器节点接收的数据包，并保持空闲状态以节省能量；而如果接收数据包的BER大于预定的阈值，则目的节点将丢弃该数据包，并向网络中的中继节点广播一个NACK信息，表明数据包接收失败，需要采用网络中的潜在中继进行协作传输，这时中继节点将从传感器节点接收到的数据包发送至目的节点，完成协作传输过程。其整体的通信过程如图2所示。
如图2的流程图所示，监听到NACK信息后，如果R1中继在第一阶段成功检测到数据包，则其将在第二阶段把数据包转发到目的节点，如果在目的节点以可接受的误码率BER接收到数据包，则表明协作的第二阶段传输完成。相反，如果目的节点无法检测到R1中继发送的数据包，则应该从R2中继将数据包转发到目的节点；如果目的节点由于误码率BER较高而再次无法从R2中继接收到数据包，则表明R2中继的第三阶段协作传输失败。最后，采用R3中继进行传输，开始第四阶段的协作传输。最后，如果目的节点能够成功解码数据包，则表明第四阶段的协作传输完成；否则，该数据包被视为已丢弃。
进一步，所述目的节点接收数据包的误码率BER的计算方法为：
其中，Pb表示误码率BER的值，Eb表示每比特的能量，N0表示噪声功率谱密度，Eb/N0＝γ为信噪比SNR。
此外，本发明中继节点的选择是确定性的，预定义的中继选择可以避免因为随机性或机会性中继选择所带来的节点能量消耗不平衡的问题。而且确定性的中继选择降低了网络的复杂度和延迟，这对于WBAN中数据的传输很重要。确定性的中继节点选择是指策略中的中继节点是事先指定的，无需通过中继选择算法来进行选择。
仿真实验
(1)仿真环境
仿真中，假定中继节点比普通的传感器节点具有更高的能量，因为中继节点不仅要转发来自源节点的数据，还要传输自己感测的数据。
本发明传输协议在MATLAB平台进行仿真，其详细的参数设置如表1所示。
表1仿真参数设置
从网络寿命、网络剩余能量和丢包率三个方面评估本发明传输协议的网络性能。其网络的性能参数定义如下
1.稳定期：在WBAN中稳定期通常定义为，从网络开始到第一个节点死亡之间的时间间隔。
2.网络生存期：从网络建立到最后一个节点死亡，网络运行的总持续时间称为网络生存期。
3.剩余能量：网络中每秒的平均总剩余能量称为网络的剩余能量。
4.丢包率：在接收器上每单位时间内丢失数据包数量与传输数据包总数的比值称为丢包率。
(2)仿真结果分析
将本发明传输协议与现有的基于两个中继的协作通信策略进行比较，并讨论其性能参数。假定传感器节点的数量限制为6个，而中继节点为3个，协调器为1个。在传统的基于两个中继协作策略中，无论信道条件如何，中继节点总是转发其接收到的数据。因此在这种策略中，节点在相同数据的传输中会消耗更多的能量。
图3显示了本发明与所比较协议的稳定期和网络寿命。从图3中可以观察到，现有的基于两个中继的协作策略具有更少的稳定周期。因为其源节点随着周期数的增加而更快的死亡，导致数量减少，从而使网络稳定期从2×104s到2.9×104s。然而，本发明传输协议以网络寿命更长被证明更稳定。原因是增量中继传输适应了信道条件，其只有在需要中继时才允许转发数据。此外，基于多中继的增量协作通信策略中包含了三个潜在的中继，当前两个中继协作传输失败时，第三个中继提供了额外的替代链路，这进一步的提高了网络的稳定期。
图4显示了本发明分析的两种策略的网络剩余能量。为了降低丢包率PER并获得更高的分集增益，本发明所提策略使用了基于三个中继的增量协作链路。从图4中可以看出，在稳定期2×104s内本发明传输协议的网络剩余能量更高，为每周期0.41mJ的平均能耗，而在基于两个中继的协作传输策略中，其网络剩余能量为每周期0.24mJ的平均能耗。这是因为，在基于两个中继的协作策略中，即使不需要传输，中继节点也总是转发其接收到的数据，由此消耗了额外的能量。此外，基于增量中继的协作通信策略中，仅在直接传输失败时中继节点才转发接收的数据，否则丢弃该数据包并保持空闲状态。因此基于增量中继的协作通信传输策略有效地避免了源节点数据包的重传，节省了宝贵的信道资源，使得传感器节点的剩余能量更多。
图5显示了目的节点由于BER高于预定阈值而丢弃的数据包数量的结果。从图5中可以看出，在稳定期2×104s内本发明的丢失数据包数量更低，为4150个。而在基于两个中继的协作传输策略中，其丢失数据包数量为9200个。这是因为，在直接链路发生故障的情况下，基于三个中继的增量协作通信协议具有更多链路可用于数据包传输，因此其丢包率较低。而基于两个节点的协作通信策略的丢包率大于增量协作通信策略，这是因为其中继节点不考虑WBAN的信道条件，总是向目的节点转发接收到的数据，因此更多的传输会导致更多的链路故障，从而导致更多的数据包丢失。
本发明采用增量协作的方式对数据进行传输，其根据目的节点数据传输的短反馈信息判断是否使用中继，仅在直接传输失败时才采用中继进行协作。本文提出的策略与现有的协作传输策略相比，有效地减少了传感器节点数据的重传，增强了网络的可靠性，提供了更好的性能。
Claims (2)
1.一种在WBAN中基于多中继的增量协作通信传输方法，其特征在于：所述WBAN网络系统中包含n个传感器节点、m个中继节点和1个协调器，该传输方法包括以下两个步骤：
一、网络初始化开始，协调器向全网广播一个初始消息，通知所有传感器节点和中继节点的位置，且使每个传感器节点都分配有唯一的ID信息，所有传感器节点存储这些位置，并向中继节点广播由网络位置、能量状态和ID信息组成的信息包；
二、在数据传输的第一阶段，源节点将数据包发送到目的节点，该数据由其m个潜在中继R1、R2和R3侦听，在目的节点处，其根据接收数据包的误码率BER与预定阈值的比较，选择发送ACK或者NACK信息，如果接收数据包的误码率BER小于预定的阈值，则表明数据传输成功，此时目的节点向网络中的中继节点广播一个ACK信息，中继节点在接收到此信息后丢弃从传感器节点接收的数据包，并保持空闲状态以节省能量；而如果接收数据包的误码率BER大于预定的阈值，则目的节点将丢弃该数据包，并向网络中的中继节点广播一个NACK信息，表明数据包接收失败，需要采用网络中的潜在中继进行协作传输，这时策略中事先指定的中继节点将从传感器节点接收到的数据包发送至目的节点，完成协作传输过程；
所述协作传输过程中，当中继节点监听到NACK信息后，如果R1中继节点在第一阶段已正确接收并解码数据包，则在第二阶段将其转发到目的地，如果在目的节点以可接受的误码率BER接收到数据包，则表明协作的第二阶段传输完成，相反，如果目的节点无法检测到R1中继节点发送的数据包，则从R2中继节点将数据包转发到目的节点；如果目的节点由于误码率BER较高而再次无法从R2中继节点接收到数据包，则表明R2中继节点的第三阶段协作传输失败，采用R3中继节点开始第四阶段的协作传输；依次类推，直到目的节点能够成功解码数据包，如果直到第m个中继节点也不能协作传输完成，该数据包视为已丢弃。
2.根据权利要求1所述的一种在WBAN中基于多中继的增量协作通信传输方法，其特征在于：所述目的节点接收数据包的误码率BER的计算方法为：
其中，P b 表示误码率BER的值，表示每比特的能量，/>表示噪声功率谱密度，/>为信噪比SNR。
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