一種面向無線體域網(wǎng)的功率優(yōu)化路由算法

彭 藝，張 聳

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

隨著無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network, WBAN)[1]技術(shù)的逐漸成熟，其在公共醫(yī)療，體育運(yùn)動(dòng)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。無線體域網(wǎng)具有多跳、自組織，自主配置的特點(diǎn)[2]，其節(jié)點(diǎn)一般為電池供電，故能量有限[3]。此外，WBAN的鏈路是無線信道，加之人體的運(yùn)動(dòng)是難以預(yù)知的，從而導(dǎo)致信道的質(zhì)量是處于隨之變化的狀態(tài)[4]。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)已有節(jié)能策略的分析，得出如何部署轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置是減少能耗的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[6]提出了自適應(yīng)睡眠調(diào)度的路由算法，可以一定程度降低處于睡眠或者功率較低狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從而使體域網(wǎng)的生存期得以延長(zhǎng)。文獻(xiàn)[5～6]提出的節(jié)能策略都未涉及節(jié)點(diǎn)功率變化對(duì)體域網(wǎng)能量損耗的影響。因此，有必要以節(jié)點(diǎn)功率為主要控制因素，對(duì)WBAN的能耗進(jìn)行深入研究。

本文在原有AODV算法的基礎(chǔ)上，以延長(zhǎng)無線體域網(wǎng)的生存期為目的，設(shè)計(jì)了一種基于功率控制的能耗優(yōu)化算法PC-AODV。該路由根據(jù)WBAN的實(shí)時(shí)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率和傳輸路徑，能夠最大限度利用節(jié)點(diǎn)的能量，有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，并通過Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)模型

1.1 無線體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率分析

無線體域網(wǎng)中，在確保信息準(zhǔn)確傳遞的前提下，可以通過調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，來滿足不同的傳輸半徑，同時(shí)將能量消耗降到最小[7]。假定體域網(wǎng)中有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息為k位，與下一個(gè)傳輸節(jié)點(diǎn)的距離為d,則發(fā)射節(jié)點(diǎn)的能量消耗可以表示為[8]

Pt(k,d)=k×pelec+k×pfs×d2

(1)

同時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的能量消耗值為

Pr(k)=k×Pelec

(2)

其中，Pelec=50 nJ/bit，Pfs=10 pJ/bit/m2，d0=100 m,Pamp=0.001 3 pJ/bit/m4，Pda=5 nJ/bit/signal。

在無線體域網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，選擇較為可靠地傳輸鏈路，盡可能減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶鴶?shù)，能夠大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β?。如果鏈路穩(wěn)定性差，則信息傳輸失敗的概率將會(huì)升高；如果發(fā)射功率保持固定不變，傳輸距離不同，可能出現(xiàn)信息傳遞下一跳失敗的情況，這都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的使用效率降低[9]。

2 鏈路穩(wěn)定性數(shù)學(xué)建模

無線體域網(wǎng)傳輸路徑的穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)的連接方式受多種因素的影響[10]。例如節(jié)點(diǎn)自身的能量，信道干擾，外界環(huán)境和鏈路相關(guān)性等。主要研究無線體域網(wǎng)的能量利用率及傳輸鏈路結(jié)構(gòu)對(duì)路徑穩(wěn)定性的影響[11]。多徑路由可以分成兩種，即節(jié)點(diǎn)獨(dú)立多徑路由和鏈路獨(dú)立多徑路由：(1)鏈路獨(dú)立多徑路由，指?jìng)鬏斅窂介g有共用的節(jié)點(diǎn)但是沒有共用的鏈路[12]，如圖1所示；(2)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立多徑路由，指?jìng)鬏斅窂匠嗽垂?jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)外，沒有共用的節(jié)點(diǎn)或傳輸鏈路，各條路徑之間是相互獨(dú)立的[12]，如圖2所示。

圖1 鏈路獨(dú)立型多徑路由

圖2 節(jié)點(diǎn)獨(dú)立型多徑路由

針對(duì)以上提到兩種路由模型，對(duì)其傳輸鏈路發(fā)生斷裂的概率進(jìn)行比較。用P(0≤P≤1)來表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的概率，令A(yù)i,Bi和Ci,Di分別為鏈路獨(dú)立性多徑路由和節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性多徑路由路徑上的節(jié)點(diǎn)，P0表示節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性路由發(fā)生故障的概率，P1表示鏈路獨(dú)立路由發(fā)生故障的概率。節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性路由的傳輸路徑中沒有共用的節(jié)點(diǎn)，其鏈路斷裂的概率，如式(3)所示。

P0=[1-(1-P)n][1-(1-p)m]

(3)

當(dāng)鏈路獨(dú)立性路由在傳輸路徑中含有一個(gè)共用的節(jié)點(diǎn)時(shí)，其鏈路斷裂的概率，如式(4)所示。

P1=[1-(1-p)n-1][1-(1-p)m-1]

(4)

對(duì)這兩條路徑的穩(wěn)定性進(jìn)行比較，如式(5)所示。

f1(p)=P1-P0=p[1-(1-p)n-1-(1-p)n-1+(2-p)(1-p)n-1(1-p)m-1]≥p[1-(1-p)n-1][1-(1-p)m-1]≥0

(5)

即P1≥P0，從而得出結(jié)論：節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性路由的穩(wěn)定性比只有一個(gè)共用節(jié)點(diǎn)的鏈路獨(dú)立性路由高。

當(dāng)鏈路獨(dú)立性路由的傳輸路徑中有k(k≥2)個(gè)共用的節(jié)點(diǎn)時(shí)，其鏈路斷裂的概率，如式(6)所示。

Pk=[1-(1-pn-k)][1-(1-p)m-k]+kp

(6)

下面對(duì)擁有一個(gè)和k個(gè)共用節(jié)點(diǎn)的路由，進(jìn)行穩(wěn)定性比較

(7)

即Pk≥P1≥P0，結(jié)果表明：(1)對(duì)于鏈路獨(dú)立性路由，在其傳輸路徑中，如果共同使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，其鏈路出現(xiàn)故障的概率越高，穩(wěn)定性就越差；(2)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性鏈路出現(xiàn)故障的概率小于鏈路獨(dú)立性鏈路，則節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性路由穩(wěn)定性較高。所以本文研究的路由均采用節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的路由模型，可以最大程度的提高體域網(wǎng)傳輸鏈路的穩(wěn)定性，減少節(jié)點(diǎn)能量的消耗。

3 基于功率控制的PC-AODV路由算法

在無線體域網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)自身能量有限是影響網(wǎng)絡(luò)正常工作的關(guān)鍵因素[13]。因此，減少能耗為選擇傳輸路徑的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[14]。構(gòu)造一個(gè)最佳網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)F(P)，此函數(shù)作為路徑選擇的依據(jù)，將能耗值最小的路徑選出，并定為傳輸?shù)淖罴崖窂健?/p>

令α,β分別表示路徑i中節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率所占比重和節(jié)點(diǎn)的能量剩余所占比重，θ表示路徑跳數(shù)在總能耗函數(shù)中所占的比重，其中滿足0<α<0.2，0.2<β<1，0.2<θ<1且α+β+θ=1。由于PC-AODV算法將節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率作為路徑選擇時(shí)的主要考慮因素，并需要保證最小的能耗值，因此所占的權(quán)重相比于其他兩項(xiàng)應(yīng)該明顯偏低。

設(shè)定鏈路i中節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為Eim，節(jié)點(diǎn)的剩余能量為Rim，傳輸路徑到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的所經(jīng)歷的跳數(shù)為Him，則傳輸鏈路中節(jié)點(diǎn)m的網(wǎng)絡(luò)性能函數(shù)定義為f(pim)

(8)

(9)

(10)

路由請(qǐng)求回應(yīng)的信息到達(dá)傳輸路徑的源節(jié)點(diǎn)后，節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)路徑上n條接收到的路由請(qǐng)求進(jìn)行回應(yīng)[15]，對(duì)其能耗值進(jìn)行比較，選擇能耗值最小的鏈路作為最終傳輸鏈路。

F(p)=min{Wi|1≤i≤n}

(11)

4 仿真分析

基于Matlab進(jìn)行仿真分析，生存期定義為無線體域網(wǎng)從開始工作到節(jié)點(diǎn)能量被耗盡的時(shí)間，該仿真主要實(shí)現(xiàn)相同條件下，節(jié)點(diǎn)剩余能量和網(wǎng)絡(luò)生存期的比較。由于AODV是一種按需路由協(xié)議，相比于功率控制的PC-AODV路由算法，節(jié)點(diǎn)發(fā)送相同的數(shù)據(jù)量，所損耗的能量相對(duì)較多。

圖3描述了使用AODV算法和PC-AODV算法的某個(gè)節(jié)點(diǎn)剩余能量隨時(shí)間的變化情況，初始能量為100 mJ。其中PC-AODV路由算法在初始階段能夠最大限度確保能量的高效使用，開始后250 s能量沒有明顯消耗,較AODV算法延后150 s,即體域網(wǎng)工作前期，改進(jìn)算法能夠有效避免不必要的能量損耗。此后，PC-AODV路由節(jié)點(diǎn)剩余能量仍明顯高于AODV路由算法，且當(dāng)AODV協(xié)議節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，改進(jìn)算法仍可以高效工作，其生存期較原來延長(zhǎng)3/8，節(jié)點(diǎn)能量得到充分利用，體域網(wǎng)的生存期得以有效延長(zhǎng)。

圖3 剩余能量隨時(shí)間的變化

圖4描述了AODV算法和PC-AODV算法網(wǎng)絡(luò)生存期的對(duì)比變化情況。在相同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的前提下，PC- AODV算法相對(duì)AODV能夠有效延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期，且體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)密度越大，節(jié)點(diǎn)間距離越小，節(jié)點(diǎn)傳輸所需功率越小，其能耗相對(duì)較小，網(wǎng)絡(luò)生存期就會(huì)越長(zhǎng)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)能量耗盡時(shí)，傳輸路徑的路由表會(huì)將該點(diǎn)刪除，選擇可以傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)，此時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率的優(yōu)勢(shì)明顯，網(wǎng)絡(luò)生存期相應(yīng)延長(zhǎng)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)生存期隨節(jié)點(diǎn)數(shù)目的變化

5 結(jié)束語

無線體域網(wǎng)作為無線傳感網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的具體應(yīng)用，具有非常大的發(fā)展前景。本文在按需路由AODV算法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的路由算法PC-AODV，是一種適合WBAN的能耗優(yōu)化路由算法。在鏈路穩(wěn)定性較高的節(jié)點(diǎn)獨(dú)立的路由前提下，盡量選擇路由跳數(shù)少、剩余能量豐富且不包含能量耗盡的節(jié)點(diǎn)的路徑，以功率作為主要控制因素，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率對(duì)傳輸路徑進(jìn)行優(yōu)化。通過仿真得出，PC-AODV算法在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能夠充分利用網(wǎng)絡(luò)中的資源，減少能量損耗，在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)的生存期，能夠充分體現(xiàn)改進(jìn)算法的性能優(yōu)越性。本文雖然提出了低功耗的路由優(yōu)化算法，但是造成了傳輸時(shí)延和計(jì)算復(fù)雜度的增加，如何解決此類問題為下一步的研究?jī)?nèi)容。