一种躯体传感器网络自适应高可靠通信协议

1、一种躯体传感器网络自适应高可靠通信协议摘要：针对人体移动造成BSN通信环境变化问题，提出了一种根据上下文环境在单跳和多跳通信方式间切换的自适应方法，以优化网路结构，实现高可靠通信；同时也提出了一种符合BSN特性的簇头选择方法从而保证簇头能耗均衡分配以延长网络寿命。关键词：躯体传感器网络；自适应；簇头选择0引言BSN将穿戴式、植入式医疗传感器部署在人体以监测病人血压、心率和血氧等信息。然后将收集的数据通过网络发送给医疗服务提供者，以便提供高质量的医疗服务。由于BSN的一些新特性，现有WSN通信协议并不完全适合BSN。首先，BSN传感器节点在能源方面有更多的限制；其次，BSN采集多种生理信号，且随

2、人体移动，要求BSN通信协议要能适应变化的通信环境和网络拓扑；再次，BSN节点的无线通信应该考虑到和人体的相互影响。因此，提出一种适合BSN的通信协议十分必要。1相关研究当前，BSN通信协议研究多数集中在单跳星状拓扑结构。BSN-MAC协议利用节点反馈信息，调整IEEE802.15.4协议超帧参数，达到节能和低延迟目的。low-duty-cycle协议使节点不收发数据时进入睡眠模式以节约能耗。MedMAC协议利用自适应的防护频带算法来权衡同步开销达到节能。但这些单跳星状结构协议都没有考虑移动引起的环境变化问题，忽略了在不同条件中单跳星状拓扑的通信质量会产生较大变化。代表性的多跳BSN通信协议有

3、文献。LTRT协议利用节点温度生成最小温度路由，使数据传递避开高温区以减少温度对人体组织的影响。它的缺点是温度数据获取开销是很大的。文献4的CICADA协议采用生成树的方式分配工作周期避免访问冲突和控制数据路由。它没有对树高加以限制，通常BSN规模小，跳数限制在2或3为宜。AnyBody协议描述了如何在BSN中构建基于簇的数据通信方式，但对网络性能并未做分析。综上，现有BSN通信协议对于移动因素考虑较少。而对BSN这样资源受限的小规模网络，因移动导致的环境变化不可忽略。如果始终采用固定的通信模式，可能引发通信质量降低或者通信高能耗。因此，提出一种能够适应环境变化，高可靠、低功耗的通信协议具有积

4、极的意义。本文考虑到人体移动带来的BSN通信条件变化，根据人体位置及活动状态，在单跳星状和多跳簇状方式间自适应切换以保障通信高可靠；且在簇状通信方式中结合BSN特性，提出新的簇头选择方法，以均衡簇头开销，延长网络寿命。2自适应协议描述2.1模式的选择本文假设智能手机有足够电量和无线通信能力以保证网络正常运行，因此采用非对称的通信模式。即：智能手机向传感器节点发数据采用单跳直接通信方式，而传感器节点向智能手机发数据则根据表1中的自适应拓扑调整算法，由智能手机动态切换。智能手机首先获取BSN用户活动状态A，如果用户状态为移动，则将传输模式设置为多跳；如果用户状态为静止，则进一步获取用户位置信息。当

5、用户处于室内环境，那么单跳星状结构足以保障通信质量，故选择单跳星状结构；当用户处于室外环境，不利于单跳星状结构，则选择多跳通信结构。多跳通信有多种结构，本文采用基于簇的拓扑，原因有如下几点：BSN网络规模小，跳数不宜过多，一般2-3跳足以满足对于通信性能要求；BSN对网络延迟性要求比WSN高，跳数过多会增加延迟；文献8研究表明在BSN中，基于簇的架构性能优于基于树状的架构。2.2簇状结构中簇头的选择由于BSN的新特性，直接套用WSN簇头选择方式并不合适，我们提出新的BSN的簇头选择公式：表1自适应拓扑调整算法的伪代输入：用户位置D,活动状态A输出：上行传输模式Um1 if(A=mobile)2

6、 Um=cluster-base；3 elseif(D=indoor)Um=1-hopstar;else7Um=cluster-base;CH=G+nxE-residualxPDRJY(1)其中，(1)G表示该节点收集数据的重要性。根据不同数据对人体的威胁程度差异，将各个传感器赋予不同的G值，G(0,1),数值越小表示对人体的威胁程度越高，如心率传感器节点G可设为0.1,而体温传感器节点设为0.8。(2)n表示节点的工作模式。n=0表示正常模式，n=1表示异常模式，n=2表示紧急模式。工作模式和重要性参数协同使用调整节点当选簇头概率。常规模式中n=0,G+n=1,对CH值不产生影响，一旦出现某

7、些异常，则n=2或n=3,G+n<1,此时CH值小于正常模式CH值，从而降低该节点当选簇头的概率。因为在非正常状态下，节点工作负担加重，不再是最优的簇头节点。(3)剩余电量E-residual表示节穴剩余电量，朕头雯尽量选择剩余电量较大的节点，已保证网络的寿命。(4)PDR(PacketDeliveryRate)PDR表示节点与手机通信的包交付率，选择PDR高的节点作为簇头，有助于提高通信质量，减少重传次数，从而减少传输能耗。当BSN通信方式转换为多跳后，同簇内的节点根据公式1计算自己的CH值，然后向簇内广播该值，此时所有节点获得同簇节点的CH值，选择CH值瑕大的节丄作为叙头，丛I建订比

8、成够:状结构3性能评估及分析行了仿真，整个实验仿真了躯体传感器网络用户在室内和室外两种环境下静止和运动时，自适应低功耗通信协议的性能。实验将自适应通信协议同单跳星状通信协议及CICADA协议进行了对比。从数据包交付率、节点平均功耗及网络寿命三个方面来评估协议有效性。下面给出具有代表性的仿真结果，并对其进行分析。由图1（a）可知，CICADA随场景不同包交付率变化最小；星状结构包交付率随着环境变化包交付率下降明显；自适应方式随着环境变化包交付率也在可接受范围内略有下降。由图1（b）可知，星状结构的平均能耗随着通信条件变差，重传次数增加而发生大幅上升；CICADA因为跳数过多加大了中转节点负担导致

9、整个网络平均能耗增加明显；自适应方式能耗动态调整表现最好。由图1（c）可知，CICADA因为个别长路径的高转发能耗而缩短了网络寿命；单跳星状网络因为个别节点通信性能下降拖累了整个网络，使其寿命居中。自适应方法随环境变化动态调整通信方式，有优化的网络结构，因而表现最好。图1实验结果4结束语BSN具有广阔的发展前景，但受节点资源限制，可靠性低能耗是需要面对的挑战，本文提出了一种自适应高可靠通信协议，通过对仿真实验得到如下结论：自适应通信协议随环境变化动态调整网络拓扑，使BSN始终处于最优的结构，因此保证了较高包交付率，提高了可靠性。同时，簇头轮换策略有效均衡了转发能耗，进而延长了整个网络寿命，综上

10、所述，本文提出的自适应通信方式在通信质量和能耗之间达到较好的平衡。参考文献：1 ANIRUDHN,BUDDHIKAS,KOK-KIONGYAP,etc.ToHoporNottoHop:NetworkArchitectureforBodySensorNetworksC.6thAnnualIEEECommunicationsSocietyConference,Rome,2009.2 GOPALANSA,JONG-TAEPARK.Energy-efficientMACProtocolsforWirelessBodyAreaNetworks:SurveyC.2010InternationalCongr

11、essonUltraModernTelecommunicationsandControlSystemsandWorkshops,Moscow,2010.3 BENOIATLATRE,BARTBRAEM,INGRIDMOERMAN,etc.AsurveyonwirelessbodyareanetworksJ.WirelessNetworks,2011.4 BENOITLATRE,BARTBRAEMT,INGRIDMOERMAN,etc.ALow-DelayProtocolforMultihopWirelessBodyAreaNetworksC.inProceedingsofPerNets2007,Philadelphia,2007.5 VSHANKA