英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
改进的基于热感知的自适应阈值能量高效多跳路由协议：一种新的无线体域网节能路由协议
- 摘要
无线体域网是一种特殊类型的无线传感器网络，通常和人体有关。一组小的无线传感器（节点）用来收集实时数据，并且直接或者间接地通过中继节点将数据发送至汇聚节点。每一个节点配有无线电收发器、处理器和电池源。汇聚节点提供大量的电池能量，但是，节点共享有限的资源。无线体域网常见的应用是现代医疗保健系统，现代医疗保健系统能够实现对病人的远程监控、诊断和开药方。在卫生保健领域，无线体域网被用于监测糖尿病、体温、血压、心脏病以及其他疾病。
任意两个节点之间的路由选择都是从相邻节点的选择开始的，这种选择是基于附近邻居的共享信息，依此类推，完成整个网络的节点选择。整个方案取决于节点的性能，与此相关的主要目标是尽可能少充电，延长电池寿命。路由协议在维持节点的生命周期中具有显著的作用。我们需要为数据传输选择一个具有最少能量消耗的特定路线，在此基础上，许多路由协议被提出，但我们还需要更多的路由协议被提出。
在本文中，我们提出一个新的无线体域网路由协议，RE-ATTEMPT。这个协议的操作分四个阶段完成。首先，节点广播“你好”消息更新自己的路由表。其次，为数据传输设定路由优先权。第三，汇聚节点为节点的数据传输分配时间间隔。最后，在分配好的时间间隔内完成通信。
论文剩余部分的组织结构如下：论文第二部分的工作是提出方案，第三部分讨论目的和意义，第四部分包含对我们所提出的协议的简要说明，第五节和第六节介绍能量消耗和路径损耗分析。第七部分利用数学模型作出线性规划，第八节提供我们所提出方案与现有方案的性能评估比较。结论和未来展望工作将会在第九节给出。
- 相关工作
第二篇文献的作者使用单跳通信将数据从节点发送到接收器。该技术能有效地克服延迟，然而，从能量消耗方面来说，这种方法不利于远距离的节点。在第三篇参考文献中，作者在节点和接收器之间使用多跳通信，然而，逐渐增加的延迟和靠近接收器的节点的更多的能量消耗是主要的关注点。
第四篇文献的作者提出了无线自主生成树协议，在这种协议中，子节点的信息被广播告知父节点，这种策略实现了低延迟和高网络可靠性。然而，能量并不是均衡的。
环境自适应路由协议是由第五篇文献的作者提出的，它在节点和接收器之间使用单跳加多跳通信。然而，多跳通信不适合紧急数据的传输，因为它会导致数据传输延迟。
第六篇文献的作者在无线体域网中使用基于树算法的优先级。他们为紧急数据设置专用通道，当紧急数据成功传送后，正常数据才会释放。然而，专用通道会导致有效资源的频繁丢失。
第七篇文献的作者提出了能量平衡速率分配和路由协议，这种方法中数据通过基于剩余能量的自适应路由选择智能传输。自适应资源配置保证了节点上的一致负载，从而实现网络生命周期的延长。
第八篇文献的作者提供了一份关于无线体域网路由协议的调查报告，尤其是针对现代医疗保健系统。他们将路由协议划分为基于集群、跨层、服务质量意识、热感知和延迟容忍，此外，还简要地讨论了每一类的优势和问题。
第九篇文献的作者对无线体域网领域现有成果进行了综合性研究。他们回顾了无线体域网的标准和涉及跨层协议栈的协议。此外，该研究还强调了健康医疗监测所面临的挑战。
第十篇文献的作者提出了一种跨层协议，通过分布式的槽分配对无线体域网进行分布式信息检索。通过使用分布式方法，文中所提议的协议建立了一个网络树，它能够保证不冲突的通道访问，并且也有助于将数据发送到接收器。通过控制数据子循环，CICADA实现了低延迟的能源效率。然而，该协议并不支持从接收器到节点的信息传输。
在第十一篇参考文献中，作者比较了静态无线多跳网络中的三个现有质量链权值的性能：预期传输计数（ETX），最小延迟（MD）和最少损耗（ML）。这种理论的创新点是一个新的质量链权值命题，逆ETX。这些度量标准还可以像RE-ATTEMPT那样实现延迟最小化。另一方面，第十二篇参考文献的作者强调了无线体域网中的读者感兴趣的挑战。为了被广泛接受，节点必须是非入侵性的。体域网的尺寸比传统的无线传感网络要小，意味着要用更小的电池，从而导致能量的限制。此外，由于无线体域网既不能太过突出也要保证舒适度，所以节点的布置和封装也要列入重点设计考虑中。
第十三篇文献的作者提出了一种无线体域网多路由协议，该协议对频繁的网络变化有很强的影响，所谓的网络变化是指姿态变化和无线链接质量的变化。此外，该协议使用了一种针对节点的自适应传输功率机制，从而提高了能源效率。然而，所有采集的数据都以相同的概率转发，显然，当考虑到不同质量的服务数据时，这是有问题的。
- 目的和意义
设计路由协议的基本目的是负载的均匀分配，这样，每一轮的能源消耗都是均匀的，网络寿命也得以延长。单跳通信会导致远程节点负载增加，而多跳通信会快速地消耗更近的节点的电池电量。因此，第十四篇文献的作者提出了基于热感知的自适应阈值能量高效多跳路由协议，其中，节点是按照数据速率进行排列的，然而，ATTEMPT的不足之处如下。
（ⅰ）在死节点的情况下，没有其他路由选择。
（ⅱ）节点上的不均匀负载导致能量消耗不平衡，从而导致网络生命周期和稳定期的缩短。
（ⅲ）不同数据速率的节点具有不平衡的能量，这就导致与较低的数据速率相比，高数据速率节点的能量损耗更快。不必要的数据传输会导致节点更快地死亡。
（ⅳ）节点的位置不是根据能量级来排列的。
（ⅴ）对于体内节点，热点检测是非常重要的，然而，由于能源不足，体表传感器无法像热点一样发挥作用。因此，多余的能量被用来进行热点的检测，而这并不是我们所需要的。
因此，我们提出了一个克服上述缺陷的路由协议。
图1 “你好”消息格式
图2 WBASN拓扑结构
- 提出的协议
在我们所提出的协议中，汇聚节点被放置在人体的中心。当传输正常数据时，选择一个具有最小跳数（多跳通信）的路径，而对紧急数据采用直接通信的方式。前一节中提到的缺陷将按照以下顺序:(1)节点根据能量级放置，(2)为了有效地通信，万一出现死节点，替代路径将会被选择,(3)初始能量的分配将按照以下方式：将具有更多能量的节点作为数据传输到接收器的中继节点，并且使这些中继节点的数量逐渐减少,(4) 与此同时，热点检测并不能节省能量消耗。因此，由于更高的能量级，中继节点可以很容易地将接收到的数据转发给汇聚节点。此外，我们还将分析新提出协议的路径损耗。为了对所提议的协议和现有的协议进行公平的比较，对于RE-ATTEMPT，我们所选择的节点数量和安放位置都与ATTEMPT协议相同。更重要的是，增加网络大小（更多的是人体）不会影响RE-ATTEMPT协议的性能。因为网络拓扑只是针对每个人的身体（作为一个子单元）进行简单复制，所以该算法在每个子单元上独立实现，并且拥有自己的汇聚节点和节点（图2）。关于我们提出的协议操作的详细描述将在下一节给出。
4.1.初始化阶段。在这个阶段，执行三个任务，每个节点都被告知其邻居、汇聚节点的位置以及所有的可能到达汇聚节点的路径。节点通过HELLO数据包的更换更新它们的路由表。这是可能的，当每个节点广播HELLO数据包时，如图1所示，数据包中包含相邻节点从汇聚节点连接的跳数及形式，这才使得本文提出的协议具有实现可能。
4.2.路由阶段。在此阶段，我们根据优先级为数据传输至汇聚节点从可找到的路由设置中选择一个路由。当节点出现紧急数据时优先级别最高，也就是说，它们将会直接向接收器发送数据，选择到接收器最少数量的路由。在图2中，路由选择如下。
（ⅰ）节点1、2、3和4直接与汇聚节点通信，无论它们的数据是紧急的还是正常的。
（ⅱ）节点7和8直接将紧急数据发送至汇聚节点，将正常数据发送至节点5和6，但是在此之前，需要检查接收节点是否还活着。如果它们是死的，那么节点7和8就直接与汇聚节点通信。
（ⅲ）节点5和6将它们自己的数据与接收的数据聚合在一起，并将压缩后的数据发送至汇聚节点。
在直接通信中，与多跳通信相比，延迟要短得多。此外，与正常数据相比，应尽快传输紧急数据。这就是为什么我们选择直接通信用于紧急数据，多跳通信用于正常数据。此外，通过选择最小数量的跳跃点，可以实现正常数据的传输延迟最小化。在图3中，给出了路由阶段的流程图。
4.3.调度阶段。路由阶段之后是调度阶段，如图4所示。汇聚节点将时分复用（TDMA）的时隙分配给节点，从而使节点能够基于不同的时隙共享相同的频率带宽。对于紧急数据，保证时隙被分配给在争用期（CFP）的节点访问控制（MAC）超框架结构，从而确保在紧急情况下快速数据传输。另一方面，在传输正常数据时采用争用期模式，时隙一个接一个得分配给每个节点。
4.4.数据传输阶段。一旦接收器将时隙分配给节点，它们就会在分配的时间段内进行通信，以克服冲突碰撞。此后，接收器接收数据并等待一段时间来聚合。
在数据传输之后不久，下一轮的数据传输是在以同样的方式重复的阶段开始的。这个过程一直持续到每个节点的能量资源完全耗尽。
- 能耗分析
消耗的能量取决于所使用的通讯方式：单跳或多跳。对于单跳通信，我们计算消耗的能量为
┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（1）
这里，是传输能量，计算公式为
┄┄┄┄┄┄┄（2）
是传输数据的电路耗能，是传输距离为d包大小为b的放大器能量。
现在，我们计算多跳通信的能量损耗
┄┄（3）
n是跳跃点数量，是信号能量，是整合数据所要消耗的能量。此外，我们假设，在15、16中，一些无线体域网的传感器节点的数据速率、带宽和功率如表1所示。
- 路径损耗分析
自然界中，人体是部分导电的，各种不同的物质具有不同的厚度、阻抗特性和介电常数。受频带的限制，对节点采用的通信协议可能会出现较高的损耗。目前，有许多标准被应用于无线体域网通信中。然而，其中最常用的是IEEE 802.15.1（蓝牙）、麦克风、无线个域网和IEEE 802.15.6（UWB）。当设备通信时，它们之间的损耗会导致监测系统性能降低。表2-18中列出了用于身体节点的工业科学和医学无线电频带。
图3 流程图：路由阶段
图4 调度阶段
表1 不同可穿戴传感器的比较
表2 人体体表可用的ISM带宽
路径损耗包括所有与传播波在发射机和接收机环境中与物理对象的距离和相互作用相关联的结果。因此，在接收端，影响路径损耗的主要因素是传播距离。在无线体域网中，路径损耗取决于传输距离和传播频率。在文献19中路径损失模型（dB）作为传送器和接收器之间距离的函数为
┄┄┄┄┄┄┄（4）
这里，是在参考距离下的路径损耗，n是路径损耗指数（对于空间来说它的值是2，对于人体来说它的值从4到7），d是传送器和接收器之间的距离，是标准差。
无线体域网中由于反射、折射、衍射和自由空间损耗等原因，产生路径损耗。计算公式为
┄┄┄┄┄┄┄┄┄（5）
或
┄┄┄┄┄┄┄┄（6）
这里，f是传播波的频率，lambda;是传播波的波长，c是光速。
我们使用2.4 GHz的工作频率，这种为Crossbow公司开发的MICAz 节点商业可用频率。图5清楚地说明了增加发送器和接收方之间的操作频率或通信距离或两者同时增加会增大路径损耗的事实。此外，图5与文献4、5和6描述一致。
图5 路径损耗（dB）
- 问题公式化和建模
我们考虑n个节点1，2，3，┄，n，并在图2和表3中所示的位置添加第n 1个节点作为汇聚节点。由于在初始化阶段广播的HELLO消息，每个节点都知道这些位置。每个节点在监测其周围节点时生成一些信息，如图6和图1所示。
表3 节点部署
图6 网络流树
问题陈述。我们定义网络的生命周期为循环持续时间，直到所有节点停止传输为止。主要目标是在给定的约束条件下将生命周期最大化。
解决方案。将网络生命周期视为R次循环，数据包的总数为，也就是在循环r中节点i传输数据至节点j（一个传感器或接收器）。因为任何有效的循环都必须服从节点的能量约束，因此每一轮循环都是树T的集合，树根便是汇聚节点，其余部分由节点组成（如图6所示），这样就可以通过线性规划来制定阶段的主要目标：
┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄（7）
这样
┄┄┄（7a）
┄┄┄┄┄┄（7b）
┄┄┄┄┄┄（7c）
┄┄┄┄┄┄（7d）
┄┄┄┄（7e）
┄┄┄┄┄┄（7f）
┄┄┄┄┄┄┄（7g）
公式（7）中的目标函数是最大化网络生命周期，r代表一个单轮。公式（7a）的约束条件是能量限制，它能够保证链路容量给予节点足够的可用能量，公式（7b）中数据包重发的最小值使得网络生命周期延长。公式（7c）强调了网络生命周期的正面影响，即最小化无用数据的转发。类似地，公式（7d）表示通信距离与网络生命周期的直接关系。对于数据生成速率Г和流变量Upsilon;通过（i,j）链接公式（7e），符合数据流保护原则；流入的数据流和生成的数据不应该超出流出的数据流；否则，如公式（7b），数据
全文共7296字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14456]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
