一种躯体传感器网络自适应高可靠通信协议

一种躯体传感器网络自适应高可靠通信协议

引言
　　 bsn将穿戴式、植入式医疗传感器部署在人体以监测病人血压、心率和血氧等信息。然后将收集的数据通过网络发送给医论文联盟http://疗服务提供者，以便提供高质量的医疗服务。由于bsn的一些新特性，现有wsn通信协议并不完全适合bsn。首先，bsn传感器节点在能源方面有更多的限制；其次，bsn采集多种生理信号，且随人体移动，要求bsn通信协议要能适应变化的通信环境和网络拓扑；再次，bsn节点的无线通信应该考虑到和人体的相互影响。因此，提出一种适合bsn的通信协议十分必要。
　　1 相关研究
　　 当前，bsn通信协议研究多数集中在单跳星状拓扑结构。bsn-mac协议利用节点反馈信息，调整ieee802.15.4协议超帧参数，达到节能和低延迟目的。low-duty-cycle协议使节点不收发数据时进入睡眠模式以节约能耗。medmac协议利用自适应的防护频带算法来权衡同步开销达到节能。但这些单跳星状结构协议都没有考虑移动引起的环境变化问题，忽略了在不同条件中单跳星状拓扑的通信质量会产生较大变化。代表性的多跳bsn通信协议有文献。ltrt协议利用节点温度生成最小温度路由，使数据传递避开高温区以减少温度对人体组织的影响。它的缺点是温度数据获取开销是很大的。文献[4]的cicada协议采用生成树的方式分配工作周期避免访问冲突和控制数据路由。它没有对树高加以限制，通常bsn规模小，跳数限制在2或3为宜。wWW.133229.COmanybody协议描述了如何在bsn中构建基于簇的数据通信方式，但对网络性能并未做分析。
　　 综上，现有bsn通信协议对于移动因素考虑较少。而对bsn这样资源受限的小规模网络，因移动导致的环境变化不可忽略。如果始终采用固定的通信模式，可能引发通信质量降低或者通信高能耗。因此，提出一种能够适应环境变化，高可靠、低功耗的通信协议具有积极的意义。本文考虑到人体移动带来的bsn通信条件变化，根据人体位置及活动状态，在单跳星状和多跳簇状方式间自适应切换以保障通信高可靠；且在簇状通信方式中结合bsn特性，提出新的簇头选择方法，以均衡簇头开销，延长网络寿命。
　　2 自适应协议描述
　　2.1 模式的选择
　　 本文假设智能手机有足够电量和无线通信能力以保证网络正常运行，因此采用非对称的通信模式。即：智能手机向传感器节点发数据采用单跳直接通信方式，而传感器节点向智能手机发数据则根据表1中的自适应拓扑调整算法，由智能手机动态切换。智能手机首先获取bsn用户活动状态a，如果用户状态为移动，则将传输模式设置为多跳；如果用户状态为静止，则进一步获取用户位置信息。当用户处于室内环境，那么单跳星状结构足以保障通信质量，故选择单跳星状结构；当用户处于室外环境，不利于单跳星状结构，则选择多跳通信结构。
　　 多跳通信有多种结构，本文采用基于簇的拓扑，原因有如下几点：①bsn网络规模小，跳数不宜过多，一般2-3跳足以满足对于通信性能要求；②bsn对网络延迟性要求比wsn高，跳数过多会增加延迟；③文献[8]研究表明在bsn中，基于簇的架构性能优于基于树状的架构。
　　2.2 簇状结构中簇头的选择
　　 由于bsn的新特性，直接套用wsn簇头选择方式并不合适，我们提出新的bsn的簇头选择公式：
　　表1 自适应拓扑调整算法的伪代
　　
　　输入：用户位置d，活动状态a
　　输出：上行传输模式um
　　1 if ( a = mobile )
　　2 { um = cluster-base；
　　3 } else
　　4 { if ( d = indoor )
　　5 um = 1-hop star;
　　6 else
　　7 um = cluster-base; }
　　ch=g\+n×e\-\{residual\}×pdr[jy]（1）
　　其中，（1）g表示该节点收集数据的重要性。根据不同数据对人体的威胁程度差异，将各个传感器赋予不同的g值，g∈（0,1），数值越小表示对人体的威胁程度越高，如心率传感器节点g可设为0.1，而体温传感器节点设为0.8。（2）n表示节点的工作模式。n=0表示正常模式，n=1表示异常模式，n=2表示紧急模式。工作模式和重要性参数协同使用调整节点当选簇头概率。常规模式中n=0，g\+n=1，对ch值不产生影响，一旦出现某些异常，则n=2或n=3， g\+n<1，此时ch值小于正常模式ch值，从而降低该节点当选簇头的概率。因为在非正常状态下，节点工作负担加重，不再是最优的簇头节点。（3）剩余电量 e\-\{residual\}表示节点剩余电量，簇头要尽量选择剩余电量较大的节点，已保证网络的寿命。（4）pdr（packet delivery