引言

無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network，WBAN)又稱(chēng) 體域傳感網(wǎng)(Body Area Sensor Networks，BASN)，它是以人 體為中心的通信網(wǎng)絡(luò)，是由分布于人體表面和人體內(nèi)部的傳感 器和組網(wǎng)設(shè)備以及與人體有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成。WBAN隨 著醫(yī)療健康領(lǐng)域的飛速發(fā)展以及市場(chǎng)的巨大需求，越來(lái)越受 到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的青睞。

WBAN的業(yè)務(wù)種類(lèi)異構(gòu)，普通業(yè)務(wù)、緊急業(yè)務(wù)和按需 業(yè)務(wù)共存，因此其對(duì)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有著特殊的要求。當(dāng) 前WBAN主要采用的傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶 (UWB)、紅外和NFC等。而ZigBee技術(shù)相比于其他技術(shù)具 有低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此更加適合應(yīng)用于 WBAN的數(shù)據(jù)傳輸。本文將ZigBee協(xié)議應(yīng)用于WBAN， 結(jié)合經(jīng)典的AODV協(xié)議，構(gòu)建了 WBAN人體模型；進(jìn)而利 用網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2，仿真測(cè)試了衡量WBAN的可靠性 指標(biāo)一丟包率和時(shí)效性指標(biāo)一時(shí)延，探究了 ZigBee協(xié)議對(duì) WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m用性。

1 ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee因?qū)Ｖ诘统杀?、低速率等要求，它有如下特點(diǎn):

廉價(jià)，ZigBee協(xié)議棧簡(jiǎn)單，軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)練，需要的 各項(xiàng)成本小，隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，ZigBee通信模塊的 價(jià)格可降至兩美元左右；

省電,ZigBee收發(fā)信息需要的功率很低,工作周期短,附有休眠模式，所以避免了更換電池和頻繁充電；

網(wǎng)絡(luò)容量大，每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備;

安全,ZigBee有鑒權(quán)的能力，保證了用戶(hù)的私人信息， 加強(qiáng)了保密性。此外，ZigBee還有可靠、較大的網(wǎng)絡(luò)容量等 特點(diǎn)，使ZigBee有較好的應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值；

表1給出ZigBee與其他短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的對(duì)比。 ZigBee與Bluetooth相比協(xié)議棧更簡(jiǎn)單，需要的軟硬件資源相 對(duì)少很多，且可以支持更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，所以ZigBee的成 本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術(shù)相比較來(lái)說(shuō)，Wi-Fi 的應(yīng)用相對(duì)成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB 比較來(lái)說(shuō)，后者有較高的通信速率和較大的數(shù)據(jù)容量，但缺 乏統(tǒng)一性的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee和NFC對(duì)比來(lái)看，ZigBee的 通信距離遠(yuǎn)大于后者，且功耗更低。因此從理論上講，ZigBee 協(xié)議適合WBAN體征監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)傳輸。

表1. ZigBee與其他短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的對(duì)比

2 AODV路由協(xié)議

本文依據(jù)所建WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，選擇應(yīng)用 AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)路由 協(xié)議。 AODV是一種反應(yīng)式路由協(xié)議，也稱(chēng)為按需路由協(xié)議(On- demand Routing Protocol)，僅當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸，需要包的傳輸 路徑時(shí)，才開(kāi)始進(jìn)行路由查找。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者探究的結(jié)果可 知，若考慮數(shù)據(jù)源的數(shù)目、模型中節(jié)點(diǎn)的可移動(dòng)性、以及網(wǎng)絡(luò) 負(fù)載問(wèn)題時(shí)，按需方式的路由算法相比于其他的算法有著很大 的優(yōu)勢(shì)網(wǎng)。

AODV具體工作機(jī)制：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向網(wǎng)絡(luò)中 的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)先檢查本身有沒(méi)有所要到達(dá) 目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果自身沒(méi)有儲(chǔ)存所要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由， 就開(kāi)始以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請(qǐng)求）報(bào)文。在所發(fā)的 RREQ報(bào)文中詳細(xì)記錄了源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，當(dāng) 鄰近節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RREQ后，首先進(jìn)行判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 是否為自己。如果是，則向發(fā)起的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP（路由回應(yīng)）； 若不是，則在自己的路由表中查找其中是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn) 的路由，如果有，仍然向源節(jié)點(diǎn)單播RREP，同樣若沒(méi)有，則 會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的RREQ進(jìn)行進(jìn)一步查找。概括來(lái)說(shuō)，在 AODV路由情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在需要進(jìn)行通信 時(shí)才會(huì)發(fā)送路由分組，這樣大大減少了路由查找的開(kāi)銷(xiāo)凹。

因此，AODV作為一種經(jīng)典的路由協(xié)議，對(duì)于無(wú)線(xiàn)體域 網(wǎng)涉及的各個(gè)體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)可以 勝任。

3人體仿真模型的建立

在人身體上的一些關(guān)鍵部位，部署具有特定用途的傳感 節(jié)點(diǎn)，用來(lái)實(shí)時(shí)采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的 節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為體征信息檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)它們把采集來(lái)的身體的生 理信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，對(duì)于人體來(lái)說(shuō)，匯聚節(jié)點(diǎn)可由手機(jī)充 當(dāng)。匯聚節(jié)點(diǎn)再把接收到的信息通過(guò)衛(wèi)星或局域網(wǎng)絡(luò)最終傳 送到專(zhuān)門(mén)的部門(mén)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同 時(shí)，也可以在自己的手機(jī)上儲(chǔ)存身體各項(xiàng)生理指標(biāo)的正常范圍 區(qū)間，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)送來(lái)的某項(xiàng)生理值不在正常范圍區(qū)間內(nèi)時(shí)，便 會(huì)報(bào)警提醒所要檢測(cè)的主體。上述過(guò)程可以通過(guò)編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的 程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如當(dāng)主體的血糖偏低時(shí)，手機(jī)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)鬧鈴 功能，假設(shè)此時(shí)鈴聲設(shè)置為A，而當(dāng)血壓偏高時(shí)，鬧鈴將啟 動(dòng)鈴聲B，再進(jìn)一步，也可以把出現(xiàn)的每種不正常生理狀況的 應(yīng)對(duì)策略以及注意事項(xiàng)，儲(chǔ)存在主體的手機(jī)里，在鬧鈴提示 某種狀況的同時(shí)，及時(shí)提供一些可行性建議。

本論文根據(jù)在人體范圍內(nèi)構(gòu)建WBAN的特征：短距離、 低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本，選擇了 ZigBee協(xié)議和 AODV路由協(xié)議來(lái)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

首先，構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性, 仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測(cè)主要指標(biāo)的位置以及相對(duì) 應(yīng)的比例，設(shè)定了十個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（由手機(jī)來(lái) 擔(dān)任）的坐標(biāo)，在仿真中以CBR （Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù) 發(fā)生器來(lái)充當(dāng)人體傳感節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體 的信息采集過(guò)程以及每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。 因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)只接收其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的信息， 而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。

本模型中所設(shè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的生理參數(shù)均為對(duì)人體的健康狀 況非常重要的指標(biāo)，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實(shí)時(shí)采 集心臟的跳動(dòng)情況，并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼，心 臟的工作情況對(duì)于人體來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，有其對(duì)于有心臟病的群 體來(lái)說(shuō)重要性更加突顯；n3 EEG傳感器：能感受大腦皮質(zhì)電 位波形并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)，實(shí)時(shí)檢測(cè)大腦皮層的活動(dòng)情況； n2, n9血壓傳感器：實(shí)時(shí)采集人的血壓情況，把采集來(lái)的血 壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼，檢測(cè)血壓值的變化，最終防止血壓高或 者血壓低帶來(lái)人體的危害；n7作為匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）在此 相當(dāng)于移動(dòng)通信領(lǐng)域中的基站，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn) 行數(shù)據(jù)通信。

在人體及人體周?chē)? mX2 m范圍內(nèi)構(gòu)建由11個(gè)節(jié)點(diǎn)組成 的無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)，接著我們創(chuàng)建了 10個(gè)UDP代理并把它們附加 到10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上，然后為UDP代理附加1個(gè)CBR業(yè)務(wù) 發(fā)生器，該發(fā)生器可以在業(yè)務(wù)代理節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在n7 匯聚節(jié)點(diǎn)上，10個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制向n7發(fā)送 CBR包，根據(jù)檢測(cè)的業(yè)務(wù)信息不同設(shè)定包的大小不同，表2 所列是體征信息檢測(cè)傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送CBR包的大小，其發(fā)送速 率均為250 Kb/s,仿真運(yùn)行時(shí)間為100 s。

4仿真分析

為了探究ZigBee協(xié)議對(duì)無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)絡(luò)的適用性，利用網(wǎng) 絡(luò)仿真軟件NS2對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行了仿真，并對(duì)主要衡量可靠 性指標(biāo)的丟包率，以及時(shí)效性指標(biāo)時(shí)延進(jìn)行了測(cè)量。在仿真 結(jié)束后，編寫(xiě)丟包率和時(shí)延的.awk提取文件，從仿真過(guò)后產(chǎn) 生的.tr文件中，提取出丟包率和時(shí)延信息。.tr文件的數(shù)據(jù) 格式如圖2所示。

圖2中，數(shù)據(jù)格式中每一部分的具體內(nèi)容為：Event分為 3種情況s、r、D，分別對(duì)應(yīng)s發(fā)送，r接收，D丟包；Time為事件發(fā)生時(shí)間 ；Node 為處理該事件的節(jié)點(diǎn) ID ；Layer 分為3 種情況：RTR 路由器 Trace，AGT 代理 Trace，Mac 層代理；Flags 為分隔符 ；Pkt id 為分組 ID ；Pkt type 為分組類(lèi)型 ；Pktsize 為分組大小 ；------ 為分隔符 ；MAC Layer Info 的數(shù)據(jù)如表 3 所列 ；IP Info 的數(shù)據(jù)則如表 4 所列。

我們從模擬仿真的.tr文件里隨機(jī)抽取的一條記錄如圖3 所示。

對(duì)上述記錄格式進(jìn)行解釋如下:在6.828 477 300 s時(shí)，一 個(gè)ID為7的節(jié)點(diǎn)MAC層接收了一個(gè)CBR分組，這個(gè)分組的 UID為42959,長(zhǎng)度為32 B,源地址為1 ： 0,目標(biāo)地址為7: 1, 分組生存周期為30,源地址到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為2。

進(jìn)一步編寫(xiě) "CBR-drop.awk” 和 “CBR-delay.awk” 文件, 分別用于從跟蹤文件.tr中統(tǒng)計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的CBR包的丟包率和 CBR包端到端傳輸?shù)臅r(shí)延信息。

圖4為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率統(tǒng)計(jì)。在仿真運(yùn)行的100 s內(nèi)， 10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)共向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送24 573個(gè)CBR數(shù)據(jù)包, sink節(jié)點(diǎn)共接收24 183個(gè)CBR數(shù)據(jù)包，丟包率為0.015 871。

圖5為發(fā)包速率為250 Kb/s時(shí)的CBR包端到端傳輸時(shí) 延統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)。從仿真時(shí)延圖中可以看出，仿真剛開(kāi)始時(shí)，由于 WBAN的收發(fā)包機(jī)制剛剛建立起來(lái)，網(wǎng)絡(luò)整體性能不穩(wěn)定， 導(dǎo)致時(shí)延不穩(wěn)定，上下浮動(dòng)較大，等到網(wǎng)絡(luò)整體相對(duì)穩(wěn)定下來(lái) 后，端到端包的傳輸時(shí)延趨于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值0.2 ms。

5結(jié)語(yǔ)

本文中，WBAN仿真系統(tǒng)采用了 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議 和AODV路由協(xié)議，在發(fā)包速率上限250 Kb/s時(shí)，丟包率在2% 以下，時(shí)延不超過(guò)0.3 ms,這樣的丟包率和時(shí)延值對(duì)WBAN 系統(tǒng)中進(jìn)行簡(jiǎn)單的體征信息數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說(shuō)，是合理的，即它 適用于無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。該方法和結(jié)論對(duì)無(wú)線(xiàn) 體域網(wǎng)及類(lèi)似無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)選擇短距離通信協(xié)議具有積極的 參考價(jià)值。

仿真中設(shè)定的10個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)所發(fā)CBR包的優(yōu)先級(jí)等同， 而實(shí)際中，根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)應(yīng)是不同的。 下一步將針對(duì)不同的CBR包設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)一步探討 ZigBee技術(shù)在WBAN中的適用性。

20211120_6198d69e42778__基于ZigBee和AODV協(xié)議的無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)性能仿真