一種人體區域網跨層協作路由方法及系統的製作方法

2023-06-11 15:28:41

一種人體區域網跨層協作路由方法及系統的製作方法【專利摘要】本發明提供了一種人體區域網跨層協作路由方法及系統，該方法包括：在多個人體區域網（WBAN）之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。該系統的負載感知單元用於根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；路由選擇單元用於根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。採用本發明，能確保有效地採集和傳輸數據的能力，及加強節點間協作以提高能效。【專利說明】一種人體區域網跨層協作路由方法及系統【
技術領域：
】[0001]本發明涉及人體區域網（WBAN)無線通信的WBAN節點間協作通信技術，尤其涉及一種基於協作異步多信道-媒體接入控制層-避免過度信道阻塞（CAM-MAC-ARCB，CooperativeAsynchronousMultichanne-MediaAccessControl-Avoidingredundantchannelblocking)的WBAN跨層協作路由方法及系統。【
背景技術：
】[0002]Adhoc網絡作為多跳、自組織網絡，是由若干無線節點構成的一個無中心的、多跳的、自組織的對等式通信網絡，各個節點既可以作為主機，又可以作為路由器轉發其他節點的數據。Adhoc特性的特性是可以快速、靈活、方便地支持用戶的移動性，並能夠實現最廣泛的、完全意義上的連續、無縫多媒體通信，因此，成為無線通信的研究熱點。媒體接入控制(MAC,MediaAccessControl)協議的設計是Adhoc網絡的關鍵技術之一[0003]WBAN的Adhoc特性和為病人提供持續監護的能力使WBAN在從醫院監護到緊急響應和人道救援等場景得到廣泛應用。典型的WBAN包括一個集線器和若干個無線傳感器組成的節點，既可以置於體外又可以植入體內，這些傳感器持續測量各種生理信號參數，包括心電圖信號、血氧含量、體溫和血壓等。獲得的數據發送到集線器，然後由集線器把傳感器採集的數據合併後發送給位於醫院的計算單元。使用該WBAN技術可以實現經濟且高質量的醫療監護。[0004]近年來，WBAN技術由於在健康監護方面效率的提高，其已經受到了各界的廣泛關注。傳統的WBAN使用的傳感器是低功耗單發送設備，在MAC層使用一個信道用於數據傳輸。然而這些設備的性能會隨著傳感器密度的增加而下降，因為採用一個信道，傳感器多了，傳輸數據多了，勢必造成佔用一個信道傳輸數據導致的信道擁塞。對抗這種性能下降的一種方法就是在MAC層開發利用多信道，通過傳感器節點之間的相互協作來實現信道利用的最優化。[0005]近年來，針對WBAN開展的研究眾多，主要集中在WBAN網絡的數據發送和能效上，採用WBAN技術在為近體醫療護理提供便利的同時，還面臨著以下有待解決的問題：[0006]首先，如何確保有效地採集和傳輸數據的能力；[0007]其次，如何實現WBAN與周圍網絡中的傳感器網絡相互作用以提高能效，因為考慮到即使允許WBAN傳感器直接向外部的WiFi接入點傳輸數據，該過程也是低能效的。【
發明內容】[0008]有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種WBAN跨層協作路由方法及系統，能確保有效地採集和傳輸數據的能力，及加強節點間協作以提高能效。[0009]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的：[0010]一種人體區域網跨層協作路由方法，該方法包括：[0011]在多個人體區域網WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；[0012]根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；[0013]根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。[0014]其中，所述執行節點協作的多跳數據傳輸時，節點用於傳輸多種流量類型的話務數據，包括WBAN內的生理參數和/或WBAN周圍的環境參數；[0015]該方法還包括：所述實現基於梯度的路由選擇時進一步要考慮所述話務數據的優先級。[0016]其中，該方法還包括：所述根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知時，創建節點的虛擬拓撲結構。[0017]其中，所述獲得節點的負載信息具體包括：根據所述節點的虛擬拓撲結構感知節點的負載信息。[0018]其中，所述創建節點的虛擬拓撲結構，具體包括：[0019]作為匯聚節點的節點監聽其周圍節點協作的協商過程，所述協商過程中每個節點在其控制時間內傳輸路由選擇的探測請求，所述探測請求包括資源、目的地址和請求信道；[0020]在每個節點創建包括直接相鄰節點和間接相鄰節點的相鄰節點分類映射關係；[0021]根據所述探測請求和所述相鄰節點分類映射關係創建節點的虛擬拓撲結構。[0022]其中，所述根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇，包括以下任意一種方式：[0023]方式1:根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息實現基於梯度的路由選擇；[0024]方式2:根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息、及預測負載信息的估計實現基於梯度的路由選擇；[0025]其中，所述預測負載信息的估計基於已收集的負載信息的指數平均值來實現；[0026]所述負載信息至少包括：節點的負載範圍及節點負載。[0027]其中，該方法還包括：在每個節點創建包括節點的負載範圍及節點負載的映射關係後，每當節點成功進行一次協作的協商過程後就更新所述節點的負載範圍；每當節點作為所述協商過程中的發送機或接收機時就更新所述節點負載。[0028]一種人體區域網跨層協作路由系統，該系統包括：[0029]協作處理單元，用於在多個人體區域網WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；[0030]負載感知單元，用於根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；[0031]路由選擇單元，用於根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。[0032]其中，所述負載感知單元，進一步用於根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知時，創建節點的虛擬拓撲結構。[0033]其中，所述負載感知單元，進一步用於根據所述節點的虛擬拓撲結構感知節點的負載信息。[0034]其中，所述負載感知單元，進一步用於創建節點的虛擬拓撲結構的情況下，作為匯聚節點的節點監聽其周圍節點協作的協商過程，所述協商過程中每個節點在其控制時間內傳輸路由選擇的探測請求，所述探測請求包括資源、目的地址和請求信道；在每個節點創建包括直接相鄰節點和間接相鄰節點的相鄰節點分類映射關係；根據所述探測請求和所述相鄰節點分類映射關係創建節點的虛擬拓撲結構。[0035]其中，所述路由選擇單元，進一步用於根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息實現基於梯度的路由選擇；或者，根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息、及預測負載信息的估計實現基於梯度的路由選擇；[0036]其中，所述預測負載信息的估計基於已收集的負載信息的指數平均值來實現；所述負載信息至少包括：節點的負載範圍及節點負載。[0037]其中，該系統還包括負載信息更新單元，用於在每個節點創建包括節點的負載範圍及節點負載的映射關係後，每當節點成功進行一次協作的協商過程後就更新所述節點的負載範圍；每當節點作為所述協商過程中的發送機或接收機時就更新所述節點負載。[0038]本發明在多個WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。採用本發明，由於支持節點協作的多跳數據傳輸，能根據獲得的節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇，因此，能確保有效地採集和傳輸數據的能力，及加強節點間協作以提高能效。【專利附圖】【附圖說明】[0039]圖1為本發明方法流程的示意圖；[0040]圖2為本發明WBAN的協作通信環境示意圖；[0041]圖3為本發明基於梯度路由的WBAN跨層通信體系結構示意圖；[0042]圖4為現有技術基於CAM-MAC協議的過度信道阻塞示意圖；[0043]圖5為本發明WBAN的虛擬拓撲結構示意圖；[0044]圖6為本發明WBAN節點負載感知過程示意圖；[0045]圖7為本發明MAC層協作的節點容量估計過程示意圖；[0046]圖8為本發明路由和負載估計過程示意圖。【具體實施方式】[0047]本發明提出協作的WBAN應用環境，支持通過周圍傳感器或WBAN節點協作的多跳傳輸，把MAC層的協作拓展到跨層基於梯度的路由方案，允許WBAN和周圍的傳感器相互作用，來確保從WBAN到一定距離的網關的正常數據傳輸，從而能確保有效地採集和傳輸數據的能力。[0048]本發明進一步提出了協作算法，用於實現在WBAN之間以及傳感器之間協作時如何感知負載範圍，節點的負載估計以便根據負載範圍和節點的負載來實現基於梯度的路由方案，致力於提高周圍傳感器把從WBAN、相鄰傳感器或其他無線監護設備收集的數據發往網關的能力，通過加強節點間協作以提高能效。假設這些傳感器設備是擁有多個數據信道和單個控制信道的單發射機，本發明提出的協作技術在MAC層上執行，而且將要擴展成跨層體系，在IP層基於路由形成梯度，由於是基於梯度的路由，可以選擇一條最優路由路徑，以避免信道擁塞，為網絡帶來更大的容量，WBAN之間或傳感器之間的協作不僅可以為傳感器收集信息提供新的機會，而且有利於用於分析病人狀況的信息的交互。[0049]如圖1所示，本發明的WBAN跨層協作路由方法，包括以下步驟：[0050]步驟101、在多個WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸。[0051]這裡，協作發送在MAC層，在MAC層開發利用多個數據信道用於數據傳輸，通過節點間的相互協作來實現信道利用的最優化。[0052]步驟102、根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信肩、。[0053]步驟103、根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。[0054]這裡，將MAC層的節點協作擴展成跨層體系，在IP層基於路由形成梯度，或稱為將MAC層的協作拓展到跨層基於梯度的路由方案。所述根據節點的負載範圍及節點負載實現基於梯度的路由選擇，其有益效果為：根據節點的負載範圍及節點負載決定基於梯度的路由過程，能選擇最優路徑，在MAC多信道的節點協作過程中，避免信道擁塞，為整個網絡帶來更大的系統容量，該傳感器之間的協作過程允許在不同條件下設置成不同的梯度路由，例如病人在臨界條件下會選擇經過比較好的路徑或者能使病人狀態穩定的路徑作為路由數據。[0055]本發明的WBAN跨層協作路由系統，包括：[0056]協作處理單元，用於在多個WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；[0057]負載感知單元，用於根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；[0058]路由選擇單元，用於根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。[0059]對本發明舉例闡述如下：[0060]應用實例一：[0061]本發明WBAN網絡協作通信的應用場景如圖2所示，例如該場景是一個密集的傳感器環境，包括周圍的傳感器網絡和一些帶有WBAN網絡的用戶。周圍的傳感器網絡由多意圖傳感器節點組成，協作過程包括：1)感知多種周圍狀況；2)代表相鄰傳感器用於路由數據包(包括從WBAN採集的數據）的多跳數據傳輸，因此，該協作過程可以發生在WBAN和WBAN之間、WBAN和周圍傳感器之間或者周圍傳感器和周圍傳感器之間。[0062]圖2中的技術用語中英文注釋如下：[0063]cooperation協作、sensors傳感器、sink匯聚節點或稱為聚合節點、WBAN人體區域網、Gateway網關、Environmentalsensor環境參數感應傳感器、Wirlessvideosensor無線攝像採集傳感器。其中，圖1中Environmentalsensor與sensors的區別為：Environmentalsensor作為WBAN的周圍傳感器，用於米集WBAN外的環境參數，而sensor作為WBAN內的傳感器，用於採集人體相關的生理參數。sink作為匯聚節點，是在物理拓撲結構中節點處理能力強且對於周圍傳感器節點來說到每一個節點的路由路徑都優化的節點，相當於中心控制節點，對其周圍傳感器節點進行控制，如否決採用哪個信道傳輸，或決定採用哪個信道傳輸。[0064]應用實例二：[0065]本發明基於梯度路由的WBAN跨層通信體系結構如圖3所示，從MAC層跨層到IP層，在MAC層實現基於數據信道和控制信道的數據傳輸，拓撲推測；IP層實現基於梯度的路由。其中，控制信道決定分配基於梯度的路由中的最優路徑，一個控制信道配合多個數據信道用於數據傳輸，數據傳輸包括血壓、心電圖和血氧飽和度。[0066]圖3中的技術用語中英文注釋如下：[0067]DataChannel數據信道、Controlchannel控制信道、Topologyinferencing拓撲推測、gradientbasedrouting基於梯度的路由、bloodpressure血壓、ECG心電圖、SP02血氧飽和度。[0068]本發明在傳感器節點之間協作的上述體系，能夠支持發往指定網關的數據的多跳傳輸。這將導致多種流量類型(如多種類型的生理參數或多種類型的環境參數)將流經傳感器網絡，要求傳感器節點能夠協作、自組織和自適應變化的話務負載(如WBAN用戶在不同位置之間移動或者病人的狀況發生了變化)。該協作過程還因為病人的不同狀況和不同的緊急程度而不同。也就是說，實現基於梯度的路由選擇時除了考慮節點的負載範圍及節點負載，進一步還要考慮所述話務數據的優先級，以便節點能夠協作、自組織和自適應變化的話務數據負載。其中，所述考慮所述話務數據的優先級包括：所監控病人不同狀況、或不同緊急程度的優先級、病人的狀況發生變化的優先級等等。節點能夠協作、自組織和自適應變化的話務數據負載還需要考慮WBAN用戶在不同位置之間移動的影響。[0069]應用實例三：[0070]特別的，本發明是基於MAC層(包括多個數據信道和一個控制信道）的協作，區別於現有的媒體接入控制層-避免過度信道阻塞（CAM-MAC,CooperativeAsynchronousMultichanne-MediaAccessControl)協議，本發明的CAM-MAC-ARCB協議，對現有的CAM-MAC協議進行了改進，避免過度信道阻塞避免，提高了協作的數據傳輸的有效性和可靠性。[0071]對比來說，現有的CAM-MAC協議是在節點協商的過程中監測和協助周圍傳感器節點，這對於WBAN傳輸可靠地數據包是必不可少的，該協議可以在控制信道中其他節點否決協商的時候提供援助。該CAM-MAC協議的一個關鍵問題就是把信道信息傳輸給一個能夠禁止節點使用特定信道的遠距離的節點，即使這些節點使用的這些節點不在其覆蓋範圍內，把這種現象稱為過度信道阻塞（RCB)，本發明提出的CAM-MAC-ARCB協議，正是為了避免上述過度信道阻塞的問題，即基於梯度的路由實現方案，用於避免不必要的可用信道阻塞。該基於梯度的路由實現方案是基於跨層的方案，該方案能使WBAN和周圍的傳感器通過MAC層的協作支持多跳的包傳輸。在CAM-MAC-ARCB協作技術上建立一個基於梯度的路由過程，該路由傳輸經過空載網絡部分，該方案由於可以選擇最佳路由路徑，因此通過提供實時的數據傳輸支持更加高效的時間表，以提高系統總體容量性能，該方案是基於CAM-MAC-ARCB的WBAN跨層協作路由方案，致力於提高周圍傳感器把從WBAN、相鄰傳感器或其他無線監護設備收集的數據發往網關的能力，提供能效。[0072]針對上述說明舉例來說，如圖4所示為現有技術基於CAM-MAC協議的過度信道阻塞示意圖，W表示每個節點的信道列表（Channeltableineachnode),-表示傳輸在特定信道（Transmissiononspecificchannel),\表示傳輸在已使用信道(Transmissiononusedchannel),\表不傳輸在未堵塞信道（Transmissionthatshouldnotbeblocked)。[0073]節點5作為匯聚節點，節點3和4在一個特定的信道上進行通信，在節點3和4的協商過程中，節點5和7在其範圍之內，而且會串音該過程，記錄該信道的使用狀況。然而，若採用現有CAM-MAC協議，如果節點6與節點1開始一個協商過程，且選擇一個與節點3和4使用的相同的信道（即上述節點3和4用於通信的這個特定的信道)，他們將被節點5否決掉，即節點5與節點3和4在一個特定的信道上進行通信將被節點5否決掉。這將導致節點6不能使用該特定的信道，即使節點6和其接收機(節點1)都不在節點3和4的覆蓋範圍之內。由於這種不必要的禁止使用信道，減小了系統的總吞吐量，該問題是由不適當的傳播確認信息所導致的，為了對抗該拓撲幹擾，本發明採用虛擬拓撲，而非實際上的物理拓撲結構，本發明合併拓撲推測，從而每個節點可以基於虛擬拓撲結構感知使用的信道和各自的負載範圍及節點負載。[0074]該虛擬拓撲推測過程以便生成虛擬拓撲結構如圖5所示，圖5為本發明WBAN的虛擬拓撲結構示意圖，在該例中，作為匯聚節點的節點5關注聆聽周圍節點協作的協商過程，在該過程中，每一個節點在它的控制時間內傳輸一個探測請求，包含資源和目的地址，還有請求信道。每一個節點都要產生一個表，該表把每個相鄰節點分類為1級和2級。1級指該節點是直接鄰節點，2級指該節點的間接相鄰節點，即為該節點是鄰節點的鄰節點，如圖5中b和c所示。[0075]回到圖4,當節點5記錄了節點3和4在信道2上傳輸的信息，節點6和1將成為被節點5阻塞使用信道1的唯一的節點，與CAM-MAC相比，這相反使節點增加它們的傳輸能力。[0076]應用實例四：[0077]本發明具體實現過程及其對應的協作算法如下：[0078]-：負載感知過程，是通過節點和周圍節點之間的協作來完成的。[0079]首先定義每一個節點能夠支持的負載，該負載感知過程的一個例子如圖6所示，每一個節點包含η個數據信道，每一個節點配備一個半雙工收發機，在每個時刻都只能有一個數據信道被使用。這將導致每個節點都有一個不大於1/η的最大負載上限值。因此，對於每一個節點i，〇彡Load彡l/n=Loadmax。基於每個節點的負載估計，負載的範圍可以計算為：[0080]【權利要求】1.一種人體區域網跨層協作路由方法，其特徵在於，該方法包括：在多個人體區域網WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述執行節點協作的多跳數據傳輸時，節點用於傳輸多種流量類型的話務數據，包括WBAN內的生理參數和/或WBAN周圍的環境參數；該方法還包括：所述實現基於梯度的路由選擇時進一步要考慮所述話務數據的優先級。3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，該方法還包括：所述根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知時，創建節點的虛擬拓撲結構。4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述獲得節點的負載信息具體包括：根據所述節點的虛擬拓撲結構感知節點的負載信息。5.根據權利要求3或4所述的方法，其特徵在於，所述創建節點的虛擬拓撲結構，具體包括：作為匯聚節點的節點監聽其周圍節點協作的協商過程，所述協商過程中每個節點在其控制時間內傳輸路由選擇的探測請求，所述探測請求包括資源、目的地址和請求信道；在每個節點創建包括直接相鄰節點和間接相鄰節點的相鄰節點分類映射關係；根據所述探測請求和所述相鄰節點分類映射關係創建節點的虛擬拓撲結構。6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇，包括以下任意一種方式：方式1:根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息實現基於梯度的路由選擇；方式2:根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息、及預測負載信息的估計實現基於梯度的路由選擇；其中，所述預測負載信息的估計基於已收集的負載信息的指數平均值來實現；所述負載信息至少包括：節點的負載範圍及節點負載。7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，該方法還包括：在每個節點創建包括節點的負載範圍及節點負載的映射關係後，每當節點成功進行一次協作的協商過程後就更新所述節點的負載範圍；每當節點作為所述協商過程中的發送機或接收機時就更新所述節點負載。8.-種人體區域網跨層協作路由系統，其特徵在於，該系統包括：協作處理單兀，用於在多個人體區域網WBAN之間、WBAN和其周圍一個或多個傳感器之間、或者WBAN周圍多個傳感器之間執行節點協作的多跳數據傳輸；負載感知單元，用於根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知，獲得節點的負載信息；路由選擇單元，用於根據節點的負載信息實現基於梯度的路由選擇。9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述負載感知單元，進一步用於根據所述節點協作的多跳數據傳輸進行負載感知時，創建節點的虛擬拓撲結構。10.根據權利要求9所述的系統，其特徵在於，所述負載感知單元，進一步用於根據所述節點的虛擬拓撲結構感知節點的負載信息。11.根據權利要求9或10所述的系統，其特徵在於，所述負載感知單元，進一步用於創建節點的虛擬拓撲結構的情況下，作為匯聚節點的節點監聽其周圍節點協作的協商過程，所述協商過程中每個節點在其控制時間內傳輸路由選擇的探測請求，所述探測請求包括資源、目的地址和請求信道；在每個節點創建包括直接相鄰節點和間接相鄰節點的相鄰節點分類映射關係；根據所述探測請求和所述相鄰節點分類映射關係創建節點的虛擬拓撲結構。12.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述路由選擇單元，進一步用於根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息實現基於梯度的路由選擇；或者，根據作為匯聚節點的節點所收集的負載信息、及預測負載信息的估計實現基於梯度的路由選擇；其中，所述預測負載信息的估計基於已收集的負載信息的指數平均值來實現；所述負載信息至少包括：節點的負載範圍及節點負載。13.根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，該系統還包括負載信息更新單元，用於在每個節點創建包括節點的負載範圍及節點負載的映射關係後，每當節點成功進行一次協作的協商過程後就更新所述節點的負載範圍；每當節點作為所述協商過程中的發送機或接收機時就更新所述節點負載。【文檔編號】H04W40/02GK104301213SQ201310302933【公開日】2015年1月21日申請日期:2013年7月18日優先權日:2013年7月18日【發明者】禹忠,郭陽申請人:中興通訊股份有限公司