基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法
2023-06-26 09:12:16 1
專利名稱：：基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法
技術領域：
：本發明涉及一種無線體域網領域的方法，具體是一種基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法。
背景技術：
：近年來，將各種醫學傳感器和無線可攜式設備置於人體而構成的無線體域網(WBAN)在醫療、娛樂、航空和軍事等領域有著廣泛的應用前景。由於人體的存在，WBAN具有更小的傳輸距離，要求更低的發射功率以及更高的數據可靠性保證。在無線體域網中，人體作為各種傳感器節點的承載體影響著整個網絡的傳輸環境。目前對無線體域網的研究表明，在低於800MHz頻段，傳感器節點之間的通信以人體內部傳輸為主，而人體外部的傳輸由於信號衰減和延時很大可以忽略不計；而在更高的GHz頻段，人體內部組織對信號造成很大的衰減，信號主要以衍射和反射方式在人體周圍進行傳輸。體內和體外不同的傳輸機制，使得WBAN在不同的工作頻率下具有不同的信道特徵。另外，採集不同數據業務的傳感器節點必須置於身體上的適當位置，而發射功率為毫瓦級的無線傳感器節點之間要可靠地進行數據通信必須構建穩健的網絡體系結構。再加上人體的四肢處於隨機運動狀態，置於四肢上的傳感器節點也將隨之運動，四肢的移動不僅會阻擋體外傳輸環境下位於四肢兩側節點之間的通信，而且會導致整個網絡拓撲結構的改變。鑑於以上人體傳輸環境以及WBAN自身的網絡特性，構建適合WBAN自身特點的MAC和路由方式以提高WBAN的能量利用效率和數據傳輸的可靠性就顯得尤為重要。經對現有技術的文獻檢索發現，在WBAN路由和多址接入方式的技術中，HuamingLi等人在學術出版物《IEEE-EMBS》(《IEEE生物醫學工程學會》)2005年第27屆年度國際會議第2451-2454頁上發表的"AnUltra-low-powerMediumAccessControlProtocolforBodySensorNetwork(—禾中用於體域網的超低功率介質訪問控制協議)"，該文中提出了用於星形網絡拓撲的多址接入協議，由sink節點(中央控制節點)控制整個網絡信道資源的分配並將從傳感器節點獲得的信息提交遠程控制中心，其路由則相對簡單。這一技術的缺點是遠離sink節點的其他傳感器節點需要消耗更高的能量才能保證數據的可靠傳輸，不太適合對能量有嚴格要求的WBAN。經檢索還發現，用於WBAN路由和多址接入方式的技術中，L.Benoit等人在學術出版物《IEEE-MobileandUbiquitousSystems:Networking&Services》(《IEEE移動與泛在系統網絡與服務》)2007年第四次年度國際會議第1-8頁上發表的"ALow-delayProtocolformulti_hopWirelessBodyAreaNetworks(一種用於無線體域網的低延時協議)"，該文中提出了用於多跳樹形網絡拓撲的多跳MAC協議，由sink節點通過發送控制包來確定節點之間的父子關係，數據沿著樹形路由從下向上進行有序傳送，在避免衝突的同時又保證數據可靠傳輸，同時通過樹形結構實現了路由。這一技術的缺點是該基於樹形多跳網絡拓撲的MAC和路由技術把所有的節點視為採集同一數據業務的節點，並沒有考慮到WBAN特殊的網絡特性及傳輸環境，並不符合實際的WBAN及其應用需求。
發明內容本發明針對上述現有技術的不足，提出了一種基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，本發明採用多跳樹形網絡拓撲，並採用sink節點控制整個網絡的數據傳輸，同時根據採集不同數據業務的傳感器節點各自的特性，並且所有節點的工作於GHz頻段，即具有體外信道模型。本發明是通過如下技術方案實現的，本發明包括如下步驟步驟一，布置網絡結構根據節點所需採集的生理數據業務信息，將採集不同數據業務的節點置於身體的相應位置，四肢上的節點為移動性節點，在上述節點中至少有一個節點是sink節點的子節點，對於無法直接與sink節點通信的的數據業務節點，在身體軀幹上該節點與sink節點的之間設置一個relay節點；所述relay節點，其只轉發位於軀幹之外節點或移動性節點所採集的數據業務，通過relay節點轉發數據可以節省能量，同時可以避免因手臂移動造成手臂兩側節點無法通信所帶來的數據丟失。所述sink節點，其作為中心控制節點直接控制每種數據信息的採集周期。所述採集不同數據業務的節點，要麼通過自己同類型的父節點轉發信息，要麼通過relay節點轉發信息，要麼直接與sink節點通信。所述各節點，建立的整個網絡為多叉樹形拓撲，各節點工作於同一GHz工作頻率下，即具有體外信道模型，採集不同數據業務的節點之間不能直接通信。所述四肢上的數據業務節點，其利用移動性模型來提前預測移動節點的位置f曰息。步驟二，構建多跳樹形拓撲，具體如下第一步，sink節點首先通過廣播的方式向離它最近的節點發送命令包以確定其第一級子節點，收到sink節點的命令包的節點以CSMA(載波偵聽多路訪問)的方式反饋響應包，若sink節點收到多個採集同種數據業務類型節點的響應包，則取其中離它最近的節點作為它的第一級子節點；若sink節點收到relay節點的響應包則直接將其作為它的第一級子節點，響應包中包括以下信息標識採集數據的類型信息、自身的ID、是否為移動性節點以及時隙需求信息；第二步，sink節點記錄第一級子節點信息，並通過發送確認包通知第一級子節點，第一級子節點中的業務節點發送帶有類型識別信息的控制包給與它採集相同數據業務的節點，第一級子節點的下一級子節點通過反饋響應包告知第一級子節點其所採集的數據業務信息和數據傳輸所需的時隙需求，第一級子節點和下一級子節點建立父節點和子節點關係，父子節點是採集同種數據業務的節點，有利於對採集的數據進行融合；第一級子節點中的relay節點發送不包含軀幹上業務節點所採集的業務類型信息的控制包給其附近的節點，其附近的節點判斷該控制包中是否含有自身業務類型信息，若含有自身業務類型信息，則將該relay節點作為自身的父節點，否則拒絕；由此，網絡中的各節點通過分布式的樹形結構進行數據通信，各節點只擁有各自子節點和父節點的信息，一旦樹形拓撲構建完成後，就提供了業務節點向sink節點匯聚數據的路由。步驟三，發送控制信息-sink節點發送控制包給它的子節點，其包中含有其記錄子節點的數據傳送需求信息，以TDMA(時分多路訪問)的方式分配相應時隙給子節點並確定數據的傳遞順序，這些子節點也按照一定的順序生成自己的控制幀發送給自己的子節點，以此類推，在控制子周期中，各節點都知道自己的數據傳遞順序。步驟四，傳送數據，具體如下各節點己知自己的數據傳遞順序之後，進入數據傳送階段，樹形結構中最後一級節點在自己的時隙內向自己的父節點發送採集的數據信息，並提供下一周期所需的時隙需求。這樣，數據就沿著樹形結構路由從下往上完成了數據的匯聚，sink節點將這些數據進行處理後提交控制中心。步驟三和步驟四中，發送控制信息和傳送數據的過程組成一個數據傳送周期，如果連續兩個數據傳送周期完成之後父節點發現沒有收到某個子節點的信息，那麼就默認該子節點已經發生移動或者死亡。若該子節點為移動性節點，則在數據發送階段該父節點提取該子節點移動模型中的移動信息並反饋給sink節點，sink節點在下一個周期內的控制幀發送階段指定一個relay節點作為移動子節點的父節點，則該relay節點收到該控制信息之後，把該移動節點作為自己的子節點，並為其分配相應的時隙。因此可以提前將移動子節點加入網絡，加速了整個網絡的重建過程。本發明中，通過構建聯合路由-多址接入方法以解決體外傳輸環境下由採集不同數據業務類型的節點所組成的無線體域網的可靠數據通信，通過構建多跳樹形拓撲實現數據傳輸路由，以分布式方式分配信道資源。特別地，通過引入relay節點以避免四肢特別是手臂的移動可能會阻擋四肢兩側節點之間的數據通信從而導致的數據丟失，同時減少數據業務節點與sink節點之間的通信距離，提高數據傳輸的可靠性，節省能量；四肢上節點的移動將改變整個網絡拓撲結構，通過對四肢上的節點引入移動性模型來提前預測移動子節點的父節點，並提前喚醒該父節點，以降低網絡拓撲重建所帶來的網絡延時。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果本發明考慮了人體體外傳輸環境下，將採集不同數據業務的傳感器節點組合在一起構成了符合實際應用需求的無線體域網，通過引入relay節點減少了與sink節點相距甚遠的節點的通信距離，節省了能量，避免了手臂移動所帶來的信息丟失，提高了數據傳輸的可靠性；並通過對四肢節點引入移動性模型，加速了網絡的重建過程，減少了延時，保證了數據傳輸的實時性。圖1是本發明的實施例中多跳樹形網絡拓撲圖2是本發明的實施例中多跳樹形網絡拓撲邏輯結構圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。如圖1所示，是本實施例中的多跳網絡拓撲圖，是無線體域網的一種醫療應用，其中包括三種典型的醫學傳感器節點ECG傳感器、脈搏傳感器和血壓傳感器，圖中節點l為sink節點，節點2為ECG傳感器，節點3為脈搏傳感器，節點4為血壓傳感器，節點5為relay節點。sink節點在整個網絡中起主導作用，控制整個網絡的數據通信。為了避免手臂兩側節點之間由於手臂運動導致信號丟失，並減少傳感器節點與sink節點的通信距離，在身體軀幹上放置了relay節點。如圖2所示，是圖l的邏輯拓撲圖，S代表圖1中的sink節點，R代表圖l中的relay節點，E代表圖1中的ECG傳感器節點，P代表圖l中的脈搏傳感器節點，B代表圖1中的血壓傳感器節點。由圖2可以看出，整個網絡拓撲是以sink節點為根節點的多跳樹形拓撲。本實施例包括如下步驟步驟一，網絡基本布置階段根據節點所需採集的生理數據業務信息，將採集不同數據業務的節點置於身體的相應位置，四肢上的節點為移動性節點，在上述節點中至少有一個節點是sink節點的子節點，對於無法直接與sink節點通信的的數據業務節點，在身體軀幹上該節點與sink節點的之間設置一個relay節點；將三種不同的傳感器節點設置於GHz頻段的同一工作頻率下即具有體外信道模型，但是，一種數據業務類型的節點不接收和發送其他數據業務類型節點的數據信息。手臂上的脈搏和血壓傳感器被設置為具有移動性模型的移動性節點。所述四肢上的數據業務節點，利用HongliangRen等人在《IEEEInformationAcquisition》(《IEEE信息採集》)2006年IEEE國際會議第306-310頁發表的"UnderstandingtheMobilityModelofWirelessBodySensorNetworks(理解無線體域網的移動性模型)"中提出的移動性模型來提前預測移動節點的位置信息。步驟二，構建多跳樹形拓撲-sink節點首先通過廣播的方式向離它最近的節點發送命令包，這些節點在接收到sink節點的命令包後返迴響應包，該響應包中含有兩bit信息用來標識節點所採集的數據業務類型信息，節點的類型標識信息如表格1所示表l節點的類型標識信息tableseeoriginaldocumentpage10另外，把數據傳輸所需時隙信息、是否為移動性節點以及自身ID也通過響應包告知sink節點，隨後sink節點選取離它最近的同種業務節點以及relay節點作為第一級子節點，並記錄這些子節點的信息，發送確認包通知這些子節點。這些子節點中的業務節點生成控制包發送給與它採集相同數據業務的節點，它們的下一級子節點通過發送響應包告知父節點它們的時隙需求和自身ID。而relay節點則發送不帶有軀幹業務節點的業務類型信息的控制包給附近的節點，附近節點通過提取控制信息決定是否將該relay節點作為自己的父節點。由此，網絡中的各節點通過分布式的樹形結構進行數據通信，各節點只擁有各自子節點和父節點的信息。步驟三，控制信息發送階段sink節點在有數據需求時發送控制幀給它的第一級子節點，根據上一個周期子節點在數據傳送階段所反饋的需求信息，以TDMA的方式分配相應時隙給子節點並確定數據的傳遞順序。這些子節點也按照一定的順序生成自己的控制幀發送給自己的子節點，這樣，在此階段，各節點都被分配相應的時隙並確定了數據傳遞順序。步驟四，數據傳送階段在上一個階段之後，進入數據傳送階段。在此階段，樹形結構中最後一級子節點在分配的時隙內向其父節點發送採集的數據信息，並提供下一周期所需的時隙需求。這樣，數據就沿著樹形結構路由從下往上完成了數據的匯聚，relay節點只負責數據的轉發，sink節點將這些數據進行處理後提交控制中心。若右手臂上的節點3移動至背部位置，如圖1中虛線所示，右手臂上的節點3與sink節點的曲線距離增大，並且位於手臂的兩側，這樣位於身體右下側的relay節點就能夠轉發數據，並減少與sink節點間傳輸距離，節省發射能量。若右手臂上的節點3在某個時刻移動到頭部位置，如果其父節點，即身體右下側的relay節點連續兩個數據傳送周期內沒有收到右手臂上的節點3的數據信息，那麼就默認它已經發生移動，於是，其父節點提取子節點移動模型中的移動信息並反饋給sink節點，sink節點在下一個周期內的控制幀發送階段指定軀幹上部的relay節點作為右手臂上的節點3的父節點，則該relay節點收到控制信息之後，把右手臂上的節點3作為自己的子節點，並為其分配相應的時隙。身體右下側的relay節點由於不再具有子節點而不參與下一周期的數據傳送，就可以處於休眠狀態，節省能量。這樣可以提前將移動子節點加入網絡，加速了整個網絡的重建過程。本實施例通過引入relay節點減少了與sink節點相距甚遠的節點的通信距離，節省了能量，避免了手臂移動所帶來的信息丟失，提高了數據傳輸的可靠性;並通過對四肢節點引入移動性模型，加速了網絡的重建過程，減少了延時，保證了數據傳輸的實時性。權利要求1、一種基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟一，布置網絡結構根據節點所需採集的生理數據業務信息，將採集各種數據業務的節點置於身體的相應位置，四肢上的節點為移動性節點，在上述節點中至少有一個節點是sink節點的子節點，對於無法直接與sink節點通信的的數據業務節點，在身體軀幹上該節點與sink節點的之間設置一個relay節點；步驟二，構建多跳樹形拓撲，具體如下第一步，sink節點首先通過廣播的方式向離它最近的節點發送命令包以確定其第一級子節點，收到sink節點的命令包的節點以CSMA的方式反饋響應包，若sink節點收到多個採集同種數據業務類型節點的響應包，則取其中離它最近的節點作為它的第一級子節點；若sink節點收到relay節點的響應包則直接將其作為它的第一級子節點，響應包中包括以下信息標識採集數據的類型信息、自身的ID、是否為移動性節點以及時隙需求信息；第二步，sink節點記錄第一級子節點信息，並通過發送確認包通知第一級子節點，第一級子節點中的業務節點發送帶有類型識別信息的控制包給與它採集相同數據業務的節點，第一級子節點的下一級子節點通過反饋響應包告知第一級子節點其所採集的數據業務信息和數據傳輸所需的時隙需求，第一級子節點和下一級子節點建立父節點和子節點關係，父子節點是採集同種數據業務的節點，有利於對採集的數據進行融合；第一級子節點中的relay節點發送不包含軀幹上業務節點所採集的業務類型信息的控制包給其附近的節點，其附近的節點判斷該控制包中是否含有自身業務類型信息，若含有自身業務類型信息，則將該relay節點作為自身的父節點，否則拒絕；步驟三，發送控制信息sink節點發送控制包給它的子節點，其包中含有其記錄子節點的數據傳送需求信息，以TDMA的方式分配相應時隙給子節點並確定數據的傳遞順序，這些子節點也按照一定的順序生成自己的控制幀發送給自己的子節點，以此類推，在控制子周期中，各節點都知道自己的數據傳遞順序；步驟四，傳送數據各節點的數據傳遞順序確定之後，進入數據傳送階段，樹形結構中最後一級節點在自己的時隙內向自己的父節點發送採集的數據信息，並提供下一周期所需的時隙需求，數據沿著樹形結構路由從下往上完成了數據的匯聚，sink節點將這些數據進行處理後提交控制中心。2、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，所述relay節點，其只轉發位於軀幹之外節點或移動性節點所採集的數據業務，通過relay節點轉發數據可以節省能量，同時可以避免因手臂移動造成手臂兩側節點無法通信所帶來的數據丟失。3、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，所述sink節點，其作為中心控制節點直接控制每種數據信息的採集周期。4、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，所述採集各種數據業務的節點，其通過自己同類型的父節點轉發信息，或者通過relay節點轉發信息，或者直接與sink節點通信。5、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，所述各節點，建立的整個網絡為多叉樹形拓撲，各節點工作於同一GHz工作頻率下，即具有體外信道模型，採集不同數據業務的節點之間不能直接通信。6、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，所述四肢上的數據業務節點，其利用移動性模型來提前預測移動節點的位置信息。7、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，所述響應包，其通過設置節點業務類型欄位以使同一工作頻率下不同類型節點之間不能收發對方的數據包。8、根據權利要求1所述的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，其特徵是，步驟三和步驟四中，發送控制信息和傳送數據的過程組成一個數據傳送周期，如果連續兩個數據傳送周期完成之後父節點發現沒有收到某個子節點的信息，則默認該子節點己經發生移動或者死亡，若該子節點為移動性節點，則在數據發送階段該父節點提取該子節點移動模型中的移動信息並反饋給sink節點，sink節點在下一個周期內的控制幀發送階段指定一個relay節點作為移動子節點的父節點，則該relay節點收到該控制信息之後，把該移動節點作為自己的子節點，並為其分配相應的時隙。全文摘要一種無線體域網領域的基於無線人體域網絡的聯合路由-多址接入方法，對於由採集不同數據業務的傳感器節點所組成的無線體域網，通過構建多跳樹形拓撲在實現多址接入的同時，節點所採集的數據沿著樹形結構路由將數據匯聚於中心控制節點。中心控制節點在有數據需求時，通過向子節點發送命令包，子節點通過CSMA的方式構建樹形拓撲。樹形拓撲每個樹枝上的節點是採集相同數據業務的節點。對於距離sink節點甚遠的節點，通過在身體的軀幹適當位置引入relay節點以減少通信距離的同時避免位於四肢兩側節點由於四肢移動而造成的數據丟失。本發明通過引入relay節點和設置具有移動性模型的四肢節點，節省能量的同時提高了數據傳輸的可靠性。文檔編號H04L12/28GK101394325SQ20081020230公開日2009年3月25日申請日期2008年11月6日優先權日2008年11月6日發明者靜劉,劉豔麗,易裡安,巍曲,良錢申請人:上海交通大學