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提出一种无线体域网(WBAN,wireless body area network)的网络拓扑结构设计方案。该方案针对IEEE 802.15.6标准的2跳扩展星型拓扑结构,建立基于混合整数非线性规划的能耗成本优化模型,通过调整中继节点的位置和数量,以及数据到汇聚节点的路由,获得优化的网络拓扑结构。实验结果分析表明,与Elias提出的EAWD(energy aware WBAN design) 模型相比,所提出的方案能使网络能耗减少40.5%,网络时延平均降低52.4%,网络寿命提高了一倍。
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2016 年 6 月 Journal on Communications June 2016
2016110-
1
第 37 卷第 6 期
通信学报
Vol.37 No.6
IEEE 802.15.6 中能量有效的无线体域网拓扑结构优化研究
梁正友
1,2
,姚玉梅
1,2
(1. 广西大学计算机与电子信息学院,广西 南宁 530004;
2. 广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室培育基地,广西 南宁 530004)
摘要:提出一种无线体域网
(WBAN, wireless body area network)
的网络拓扑结构设计方案。该方案针对
IEEE
802.15.6
标准的
2
跳扩展星型拓扑结构,建立基于混合整数非线性规划的能耗成本优化模型,通过调整中继节点
的位置和数量,以及数据到汇聚节点的路由,获得优化的网络拓扑结构。实验结果分析表明,与 Elias 提出的
EAWD(energy aware WBAN design)
模型相比,所提出的方案能使网络能耗减少
40.5%
,网络时延平均降低
52.4%
,
网络寿命提高了一倍。
关键词:IEEE 802.15.6;网络拓扑;能量效率;网络寿命;混合整数非线性规划
中图分类号:
TN915.02
文献标识码:
A
Study of energy efficient WBAN topology optimization in IEEE 802.15.6
LIANG Zheng-you
1,2
,YAOYu-mei
1,2
(1. School of Computer and Electronic Information, Guangxi University, Nanning 530004, China;
2. Guangxi Key Laboratory Cultivating Base of Multimedia Communications and Network Technology, Guangxi University, Nanning 530004, China)
Abstract: An optimization model was proposed to design the network topology of wireless body area network (WBAN).
Focusing on the two hops extended star topology given in IEEE 802.15.6 standard, a mixed integer non-linear
programming model was constructed to minimize the energy consumption of WBAN. Then, the optimized network
topology was obtained by adjusting the number and location of relays to be deployed and the data routing towards the hub.
The experimental results show that, compared with Elias’s model (EAWD, energy aware WBAN design), the proposed
model can reduce network energy consumption by 40.5% ,decrease network delay by 52.4% on average, and extend
network lifetime by double.
Key words: IEEE 802.15.6, network topology, energy efficiency, network lifetime, mixed integer non-linear programming
1 引言
无线体域网(WBAN, wireless body ar ea
network)通过分布在人体体表或植入人体体内的无
线传感器或设备,连续监测人体的生理信号和运动
行为,并将感知的信息由无线信道传送到网关节
点,通过互联网与远程监护系统通信,从而对被监
护者的生理信号和运动行为进行实时监测
[1]
。无线
体域网应用到卫生医疗保健领域,将使以预防为
主、早诊断、早治疗的新型医疗模式成为可能,还
可以帮助解决看病难、看病贵、人口老龄化等问题;
在体育和军事训练、消费类电子等非医疗领域,无
线体域网也有着广阔的应用前景
[2]
。由于这些重要
的应用前景,无线体域网成为当前的一个研究热
点。IEEE 802 委员会针对无线体域网的短距离、低
复杂度、低功耗、高可靠的需求迫切,于 2012 年 3
月发布专门用于无线体域网的通信标准 IEEE
802.15.6 标准的正式版本
[3]
,其主要内容规定了无
线体域网的物理层和 MAC 层基本结构,指出加密
认证和安全方面的实现方式;同时,该标准定义了
1 跳星型拓扑和 2 跳扩展星型拓扑结构,为无线体
域网的标准化和产业化创造了条件。
收稿日期:
2015-08-14
;修回日期:
2016-02-18
基金项目:国家自然科学基金资助项目
(No.61262003)
Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (No.61262003)
doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2016110
·
2
· 通信学报 第37 卷
2016110-
2
无线体域网一般由一系列的传感器节点和中
继节点、一个汇聚节点(hub)组成。其中,传感
器节点负责采集或转发信息给其他节点,最后汇集
到汇聚节点;汇聚节点负责将收到的信息发送到互
联网的医学信息中心处理;中继节点不采集信息,
只负责转发信息,有些无线体域网不使用中继节
点。网络中所有节点之间的逻辑连接关系构成网络
拓扑结构
[4]
。无线体域网的常见拓扑结构有星型结
构
[5]
、2 跳扩展星型结构
[6]
、全网状网结构
[5]
、树型
结构
[7]
,如图 1 所示。
图 1 无线体域网常见拓扑结构
由于无线体域网中的传感器能量有限,因此要
求一个无线体域网要节能,以延长体域网的网络寿
命。另一方面,无线体域网所采集的信息非常重要,
且需要实时性处理;因此,要求无线体域网的网络
时延要小。网络拓扑结构对无线体域网节能和减少
网络时延有直接的影响,网络拓扑结构设计和优化
被大量的学者重视
[7~19]
。
文献[7,9,10]指出在单跳星型拓扑结构中,当
传感器节点与汇聚节点的距离较远时,单跳的路径
损耗效应将影响通信链路的性能(如接收信号强度
指示 RSSI),因此使用中继节点将较远传感器的信
息转发给汇聚节点或其他中继节点,从而使星型结
构扩展成树型结构。Fabio 等
[11]
通过实验研究全网状
网络的特性、同步传输的链路相关系数以及传输速
率、延迟时间对数据可靠性的影响,并在此基础上
比较了 1 跳和 2 跳网络的性能,结果表明 2 跳拓扑
结构是构建无线体域网的较佳选择。Kim 等
[12]
研究
发现 2 跳拓扑结构的网络寿命与 3 跳拓扑结构相当,
指出 2 跳拓扑结构能够满足 WBAN 应用需要。
Braem 等
[13]
研究拓扑结构对网络能耗的影响
时,使用节点间通信距离固定的线型拓扑结构和满
二叉树拓扑结构,实验结果显示单跳通信中,远离
hub 的传感器能耗大;多跳通信中,靠近 hub 的传
感器节点兼顾采集信息和转发信息的责任,因此其
能耗较大;基于这些结果,Braem 提出通过在 hub
的下一级中引入中继设备并使用协作机制的方案,
提高网络寿命。
Hamida 等
[14]
首先从独立无线链路、真实
WBAN 信道以及运动场景下深入分析拓扑结构的
动态特性。然后在此调研结果基础上,研究了 IEEE
802.15.6 标准的 1 跳星型结构和 2 跳扩展星型结构
以及全网状网络结构,并将能量消耗、数据传输率
以及延迟作为性能指标评估比较 3 种拓扑结构。结
果表明,2 跳扩展星型结构和全网状网络结构具有
相似的性能,且优于 1 跳星型结构。
Elias 等
[15]
针对多跳树型拓扑结构无线体域网
的安装和能耗的优化问题,提出一个混合整数线性
规划模型(EAWD, energy aware WBAN design
model),根据传感器、hub 和候选位置的坐标等参数,
求解传感器节点的信息到达 hub 的路径,并明确指出
每条路径上中继节点的部署位置以及中继节点的总
数量,以达到降低安装成本和能耗的目标。
综上所述,文献[7~15]研究了星型、扩展星型、
树型和全网状网型等不同拓扑结构对能耗和时延的
影响,得出了 2 跳扩展星型结构具有优良的综合性
能,但他们都没有对网络的部署优化进行研究。Elias
等
[15]
虽然提出了多跳树型拓扑结构的 WBAN 网络拓
扑设计优化方案,但该模型存在的问题是所有传感器
节点必须通过中继节点转发给汇聚节点;但在传感器
节点位置靠近汇聚节点的情况下,引入中继节点不一
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