通信工程师论文基于ZigBee和AODV协议的无线体域网性能仿真

　　无线体域网（WirelessBodyAreaNetwork，WBAN）又称体域传感网（BodyAreaSensorNetworks，BASN），它是以人体为中心的通信网络，是由分布于人体表面和人体内部的传感器和组网设备以及与人体有关的网络元素构成[1]。WBAN随着医疗健康领域的飞速发展以及市场的巨大需求，越来越受到学术界和产业界的青睐。

　　摘要：作为无线传感器网络的一个重要分支，无线体域网以其巨大的应用前景，受到学术界和产业界的广泛关注。文章依据采集人体主要生理指标的传感器节点位置，采用ZigBee无线通信协议和AODV路由协议，构建了无线体域网人体模型；并通过无线网络主流仿真软件NS2仿真了基于ZigBee的无线体域网的数据传输时延和丢包率，探究了ZigBee协议对无线体域网的适用性。

　　关键词：通信工程师论文,无线体域网,igBee,NS2,时延,丢包率

　　0引言

　　WBAN的业务种类异构，普通业务、紧急业务和按需业务共存，因此其对数据传输技术有着特殊的要求[2，3]。当前WBAN主要采用的传输技术标准有蓝牙、ZigBee、超宽带（UWB）、红外和NFC等。而ZigBee技术相比于其他技术具有低复杂度、低功耗、低成本等优点，因此更加适合应用于WBAN的数据传输[4]。本文将ZigBee协议应用于WBAN，结合经典的AODV协议，构建了WBAN人体模型；进而利用网络主流仿真软件NS2，仿真测试了衡量WBAN的可靠性指标—丢包率和时效性指标—时延，探究了ZigBee协议对WBAN中数据传输的适用性。

　　1ZigBee短距离无线通信技术的特点

　　ZigBee因专著于低成本、低速率等要求，它有如下特点：

　　（1）廉价，ZigBee协议栈简单，软件实现简练，需要的各项成本小[5]，随着产品产业化的发展，ZigBee通信模块的价格可降至两美元左右；

　　（2）省电，ZigBee收发信息需要的功率很低，工作周期短，附有休眠模式，所以避免了更换电池和频繁充电；

　　（3）网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备；

　　（4）安全，ZigBee有鉴权的能力，保证了用户的私人信息，加强了保密性。此外，ZigBee还有可靠、较大的网络容量等特点，使ZigBee有较好的应用前景和研究价值[6]；

　　表1给出ZigBee与其他短距离无线通信技术的对比[7，8]。ZigBee与Bluetooth相比协议栈更简单，需要的软硬件资源相对少很多，且可以支持更多的传感器节点，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技术相比较来说，Wi-Fi的应用相对成本高，功耗大，资源要求多；ZigBee和UWB比较来说，后者有较高的通信速率和较大的数据容量，但缺乏统一性的应用标准；ZigBee和NFC对比来看，ZigBee的通信距离远大于后者，且功耗更低。因此从理论上讲，ZigBee协议适合WBAN体征监测信息的数据传输[9]。

　　2AODV路由协议

　　本文依据所建WBAN中数据传输的要求，选择应用AODV（Adhocon-demanddistancevectorrouting）路由协议。AODV是一种反应式路由协议，也称为按需路由协议（On-demandRoutingProtocol），仅当有数据传输，需要包的传输路径时，才开始进行路由查找。根据国内外学者探究的结果可知，若考虑数据源的数目、模型中节点的可移动性、以及网络负载问题时，按需方式的路由算法相比于其他的算法有着很大的优势[10]。

　　AODV具体工作机制：当网络中的一个节点准备向网络中的其他节点发送数据信息时，节点先检查本身有没有所要到达目标节点的路由，如果自身没有储存所要到达目标节点的路由，就开始以多播的形式发出RREQ（路由请求）报文。在所发的RREQ报文中详细记录了源节点和目标节点的网络层地址，当邻近节点收到源节点发出的RREQ后，首先进行判断目标节点是否为自己。如果是，则向发起的节点发送RREP（路由回应）；若不是，则在自己的路由表中查找其中是否有到达目标节点的路由，如果有，仍然向源节点单播RREP，同样若没有，则会继续转发接收到的RREQ进行进一步查找。概括来说，在AODV路由情况下，网络中的每一个节点只有在需要进行通信时才会发送路由分组，这样大大减少了路由查找的开销[11]。

　　因此，AODV作为一种经典的路由协议，对于无线体域网涉及的各个体征信息检测传感节点之间的数据传输来说可以胜任。

　　3人体仿真模型的建立

　　在人身体上的一些关键部位，部署具有特定用途的传感节点，用来实时采集人体的生理信息，在WBAN中，这样的节点称为体征信息检测传感器节点，它们把采集来的身体的生理信息转发给汇聚节点，对于人体来说，汇聚节点可由手机充当。汇聚节点再把接收到的信息通过卫星或局域网络最终传送到专门的部门，以此来实现对人体健康状况的实时监测，同时，也可以在自己的手机上储存身体各项生理指标的正常范围区间，当源节点送来的某项生理值不在正常范围区间内时，便会报警提醒所要检测的主体。上述过程可以通过编写专门的程序来实现，比如当主体的血糖偏低时，手机会自动启动闹铃功能，假设此时铃声设置为A，而当血压偏高时，闹铃将启动铃声B，再进一步，也可以把出现的每种不正常生理状况的应对策略以及注意事项，储存在主体的手机里，在闹铃提示某种状况的同时，及时提供一些可行性建议。

　　本论文根据在人体范围内构建WBAN的特征：短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本，选择了ZigBee协议和AODV路由协议来进行无线数据传输。首先，构建一个网络拓扑结构，考虑模型的现实应用性，仿真以人身高180cm，并根据所测主要指标的位置以及相对应的比例，设定了十个传感器节点和一个汇聚节点（由手机来担任）的坐标，在仿真中以CBR（ConstantBitRate）包业务发生器来充当人体传感节点待发送的生理信息，而不涉及具体的信息采集过程以及每个传感节点采集信息的内部数据差别。因此，在程序中设定汇聚节点只接收其他节点转发来的信息，而自己不采集信息。具体模型如图1所示。

　　图1无线体域网体征信息检测传感器节点分布图

　　本模型中所设节点对应的生理参数均为对人体的健康状况非常重要的指标，例如：n10心脏起搏传感器：可以实时采集心脏的跳动情况，并把采集到的信息转化为相应的代码，心脏的工作情况对于人体来说至关重要，有其对于有心脏病的群体来说重要性更加突显；n3EEG传感器：能感受大脑皮质电位波形并转换成可用输出信号，实时检测大脑皮层的活动情况；n2，n9血压传感器：实时采集人的血压情况，把采集来的血压转化为二进制码，检测血压值的变化，最终防止血压高或者血压低带来人体的危害；n7作为汇聚节点（SinkNode）在此相当于移动通信领域中的基站，保证传感器网络与外部网络进行数据通信。

　　在人体及人体周围2m×2m范围内构建由11个节点组成的无线体域网，接着我们创建了10个UDP代理并把它们附加到10个传感器节点上，然后为UDP代理附加1个CBR业务发生器，该发生器可以在业务代理节点上产生数据包，在n7汇聚节点上，10个传感器节点采用CSMA/CA机制向n7发送CBR包，根据检测的业务信息不同设定包的大小不同，表2所列是体征信息检测传感节点发送CBR包的大小，其发送速率均为250Kb/s，仿真运行时间为100s。

　　4仿真分析

　　为了探究ZigBee协议对无线体域网络的适用性，利用网络仿真软件NS2对构建模型进行了仿真，并对主要衡量可靠性指标的丢包率，以及时效性指标时延进行了测量。在仿真结束后，编写丢包率和时延的.awk提取文件，从仿真过后产生的.tr文件中，提取出丢包率和时延信息[12]。.tr文件的数据格式如图2所示。

　　图2.tr文件的数据格式图

　　图2中，数据格式中每一部分的具体内容为：Event分为3种情况s、r、D，分别对应s发送，r接收，D丢包；Time为事件发生时间；Node为处理该事件的节点ID；Layer分为3种情况：RTR路由器Trace，AGT代理Trace，Mac层代理；Flags为分隔符；Pktid为分组ID；Pkttype为分组类型；Pktsize为分组大小；------为分隔符；MACLayerInfo的数据如表3所列；IPInfo的数据则如表4所列。

　　我们从模拟仿真的.tr文件里随机抽取的一条记录如图3所示。

　　图3随机抽取的.tr文件的一条记录语句

　　对上述记录格式进行解释如下：在6.828477300s时，一个ID为7的节点MAC层接收了一个CBR分组，这个分组的UID为42959，长度为32B，源地址为1：0，目标地址为7：1，分组生存周期为30，源地址到目的节点的跳数为2。

　　进一步编写“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分别用于从跟踪文件.tr中统计整个网络的CBR包的丢包率和CBR包端到端传输的时延信息。

　　图4为整个网络的丢包率统计。在仿真运行的100s内，10个传感节点共向Sink节点发送24573个CBR数据包，sink节点共接收24183个CBR数据包，丢包率为0.015871。

　　图4整个网络在仿真过程的丢包率

　　图5为发包速率为250Kb/s时的CBR包端到端传输时延统计曲线。从仿真时延图中可以看出，仿真刚开始时，由于WBAN的收发包机制刚刚建立起来，网络整体性能不稳定，导致时延不稳定，上下浮动较大，等到网络整体相对稳定下来后，端到端包的传输时延趋于一个相对稳定值0.2ms。

　　5结语

　　本文中，WBAN仿真系统采用了ZigBee无线通信协议和AODV路由协议，在发包速率上限250Kb/s时，丢包率在2%以下，时延不超过0.3ms，这样的丢包率和时延值对WBAN系统中进行简单的体征信息数据传输来说，是合理的，即它适用于无线体域网的短距离数据传输。该方法和结论对无线体域网及类似无线通信网络选择短距离通信协议具有积极的参考价值。

　　图5CBR数据包端到端传输的平均时延

　　仿真中设定的10个传感节点所发CBR包的优先级等同，而实际中，根据业务QoS需求数据包的优先级应是不同的。下一步将针对不同的CBR包设定不同的优先级，进一步探讨ZigBee技术在WBAN中的适用性。

　　参考文献

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