譚勁，張玉娟

（中國計(jì)量大學(xué)信息分院，浙江 杭州 310018）

一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡(luò)AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議

譚勁，張玉娟

（中國計(jì)量大學(xué)信息分院，浙江 杭州 310018）

在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，AODV協(xié)議通過數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)S泛洪廣播RREQ消息請(qǐng)求到任意目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的路由，而在無線體域網(wǎng)絡(luò)中，只有一個(gè)sink目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，除最短跳數(shù)路由上的節(jié)點(diǎn)外，其他參與RREQ接收和轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)浪費(fèi)了能量。提出了一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡(luò)AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議，通過在節(jié)點(diǎn)廣播的hello消息中增加到sink的最小跳數(shù)hops、到sink的下一跳節(jié)點(diǎn)next和節(jié)點(diǎn)本身是否具備轉(zhuǎn)發(fā)能力isforward 3個(gè)參數(shù)，只選擇能到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)參與轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息，變廣播為多播，有效地降低了路由發(fā)現(xiàn)的能量開銷，并通過能量平衡延長(zhǎng)了WBAN的使用壽命。性能分析與模擬實(shí)驗(yàn)表明，該協(xié)議在RREQ數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸率和能量消耗等方面優(yōu)于相似協(xié)議EAAODV。

無線體域網(wǎng)；AODV協(xié)議；路由發(fā)現(xiàn)；hello消息

1 引言

無線體域網(wǎng)（wireless body area network，WBAN）是位于人體內(nèi)或外的傳感節(jié)點(diǎn)的集合，用于監(jiān)視人體周圍環(huán)境和身體本身的功能［1］?？紤]到人體感受的舒適性和移動(dòng)的方便性，WBAN中的傳感節(jié)點(diǎn)在重量和體積上比通用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）要求更加嚴(yán)格且數(shù)據(jù)傳輸能量更加有效。由于人體移動(dòng)、不同姿勢(shì)、皮膚等對(duì)無線信號(hào)傳播的影響，WBAN中的路徑丟失率高于通用WSN。 基 于 距 離 數(shù) 組 的 按 需 路 由［2］（Ad Hoc on-demand distance vector routing，AODV）協(xié)議比較適用于這種結(jié)構(gòu)多變且需要最短路徑（及時(shí)和能量有效）傳輸?shù)腤BAN，綜合性能優(yōu)于 OLSR（optimized link state routing）、DSR（dynamic source routing）協(xié) 議［3，4］，而 WBAN 較 小 的 節(jié) 點(diǎn) 規(guī) 模 又 彌 補(bǔ)了AODV路由形成帶來的時(shí)延不足［5］。但由于其基于“最小跳數(shù)”作為路由的特點(diǎn)，會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點(diǎn)過度轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)而導(dǎo)致能量消耗過快和形成擁塞，從而影響網(wǎng)絡(luò)的端對(duì)端時(shí)延以及網(wǎng)絡(luò)吞吐量。因此，在WBAN中，許多研究［6-1 1］使用改進(jìn)的AODV協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以滿足時(shí)延、能量有效或優(yōu)先級(jí)等性能指標(biāo)。

AODV協(xié)議為了在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲姓业饺我鈨蓚€(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的一條數(shù)據(jù)傳輸路徑，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)S采用泛洪廣播路由請(qǐng)求消息RREQ請(qǐng)求到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D的路由。D確定一條最短跳數(shù)的路由，然后沿這條路由反向?qū)㈨憫?yīng)消息RREP單播傳送給S。為了維護(hù)路由的有效性，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過周期性地廣播hello消息 （含有該節(jié)點(diǎn)的ID），告訴鄰居節(jié)點(diǎn)有關(guān)它處于active狀態(tài)的信息。鄰居節(jié)點(diǎn)收到hello消息后，就更新本地路由表中鄰居節(jié)點(diǎn)的生命周期，從而保證已有路徑繼續(xù)可用［2］，這種周期性hello消息交換，又叫鄰居發(fā)現(xiàn)或beacon［12］。盡管它帶來了一些開銷，但減少了路由發(fā)現(xiàn)時(shí)延，增加了確定兩節(jié)點(diǎn)間路徑的有效性，是多跳無線網(wǎng)絡(luò)通信中必不可少且最重要的一步［13］。參考文獻(xiàn)［14］也證實(shí)了大多數(shù) AODV協(xié)議的實(shí)現(xiàn)采用了缺省的基于連接失敗偵測(cè)機(jī)制的hello消息來維持局部連接。當(dāng)AODV協(xié)議用于WBAN時(shí)，結(jié)合WBAN本身的屬性，可以進(jìn)一步提高AODV協(xié)議性能：

·WBAN中只有一個(gè)固定的sink目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，接收其他所有節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，采用泛洪的方式請(qǐng)求任意兩節(jié)點(diǎn)間的路由是沒有必要的；

·WBAN中有些節(jié)點(diǎn)不能作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，如吞服節(jié)點(diǎn)、植入皮下節(jié)點(diǎn)及人體表面節(jié)點(diǎn)等，受其體積限制，其電池、存儲(chǔ)器及運(yùn)行的程序等在設(shè)計(jì)上就沒考慮轉(zhuǎn)發(fā)功能，稱這類節(jié)點(diǎn)為邊界節(jié)點(diǎn)；

·盡管sink節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間范圍內(nèi)可以收到多條RREQ，但只使用最短跳數(shù)的路由來傳輸數(shù)據(jù)，除最短跳數(shù)路由上的節(jié)點(diǎn)外，其他參與RREQ接收和轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)只起了“參考比較”的作用，浪費(fèi)了能量，如果把這種“參考比較”放在維持連接過程中來完成，可降低能耗；

·鄰居發(fā)現(xiàn)是多跳無線網(wǎng)絡(luò)通信中必不可少的一步，由于WBAN是以sink節(jié)點(diǎn)為中心的，如果節(jié)點(diǎn)在廣播的hello消息中含有自己到sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù) （sink發(fā)出時(shí)其值為0），就為從數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的多播或單播路由發(fā)現(xiàn)帶來可能；

·如果長(zhǎng)時(shí)間使用同一最短路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，勢(shì)必造成最短路徑上的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)能量消耗過快，當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)能量消耗到一定程度時(shí)，應(yīng)停止代替其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)（自己正常工作），以延長(zhǎng)整個(gè)WBAN壽命。

本文提出了一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡(luò)AODV多播路由發(fā)現(xiàn)（multicast route discovery AODV，MRDAODV）協(xié)議，通過修改hello消息（含有節(jié)點(diǎn)ID、到sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hops、到sink的下一跳節(jié)點(diǎn)next及是否具備轉(zhuǎn)發(fā)功能isforward），以sink為中心，周期性地逐級(jí)廣播hello消息，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)只向能達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)的鄰居多播發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ，變廣播為多播，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)能量平衡，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身能量消耗確定是否擔(dān)任轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)了WBAN的使用壽命。性能分析與模擬實(shí)驗(yàn)表明：該協(xié)議在RREQ數(shù)量、數(shù)據(jù)傳輸速率和能量消耗等方面優(yōu)于相似協(xié)議EAAODV（energy aware AODV）。

2 相關(guān)工作

［6］提出了一種基于能量感知（energy aware）的EAAODV協(xié)議，該協(xié)議通過選擇有效的鄰居節(jié)點(diǎn)（實(shí)際減少鄰居數(shù)量）降低泛洪RREQ的開銷。如果數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)的某鄰居節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度大于某閾值（文中設(shè)定為5 m／h）或剩余能量小于某閾值，就將其從鄰居節(jié)點(diǎn)表中移除（不參與轉(zhuǎn)發(fā)RREQ）。每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)RREQ時(shí)，將自己的剩余能量附加在RREQ上，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到RREQ后，將所有中間節(jié)點(diǎn)的剩余能量復(fù)制到RREP消息中，單播傳回到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)和沿途中間節(jié)點(diǎn)通過RREP消息就獲取到其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量。不足之處是節(jié)點(diǎn)剩余能量附加到RREQ上，逐級(jí)增加了RREQ和RREP 消息的長(zhǎng)度。Manfredi［7］針對(duì)醫(yī)療保健監(jiān)視系統(tǒng)，提出了一種基于協(xié)作的C-AODV（cooperative AODV）路由協(xié)議，該協(xié)議保留源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的多條路由信息，選擇參數(shù)為下級(jí)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列（queue）長(zhǎng)度，即選擇隊(duì)列長(zhǎng)度較小的路由來防止擁塞，但獲取下級(jí)節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長(zhǎng)度參數(shù)需要額外的開銷。參考文獻(xiàn)［8］針對(duì)醫(yī)療無線傳感網(wǎng)絡(luò)，提出了一種具有醫(yī)療能量有效 （medical energy efficient，M-EE）的AODV路由協(xié)議，該協(xié)議根據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)類型，給圖像、視頻類節(jié)點(diǎn)賦予更多的電池能量，然后根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離、感知數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)和數(shù)據(jù)類型計(jì)算能量消耗。如果這種消耗低于規(guī)定閾值，就讓該節(jié)點(diǎn)參與AODV路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸，但獲取節(jié)點(diǎn)間的距離帶來了比較大的開銷。由于傳統(tǒng)AODV協(xié)議采用FIFO（first in first out）隊(duì)列機(jī)制，不支持優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸，Ambigavathi等［9］通過在WBAN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)維持兩個(gè)優(yōu)先級(jí)隊(duì)列表，一個(gè)負(fù)責(zé)on-demand數(shù)據(jù)，另一個(gè)負(fù)責(zé)臨界和緊急數(shù)據(jù)，提出了一種基于AODV的優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，改善了WBAN的端到端時(shí)延和節(jié)點(diǎn)吞吐率等指標(biāo)。參考文獻(xiàn)［10］針對(duì)WBAN中數(shù)據(jù)安全和可靠性數(shù)據(jù)傳輸，提出了一種relAODV（reliable AODV）協(xié)議，該協(xié)議將 WBAN中的節(jié)點(diǎn)分為兩類：直接節(jié)點(diǎn)（能與sink節(jié)點(diǎn)單跳通信）和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，只有轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)才轉(zhuǎn)發(fā)RREQ消息，直接節(jié)點(diǎn)扮演sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP消息，減少了路由發(fā)現(xiàn)的開銷，并在數(shù)據(jù)分組中加入源節(jié)點(diǎn)簽名增強(qiáng)數(shù)據(jù)的安全性。DRCA（dynamic route change algorithm）［11］修 改 了 AODV協(xié)議的hello消息格式，使得在動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中S到D的路由跳數(shù)最短，提高了分組傳輸率，減少了端到端的時(shí)延。

本文研究與EAAODV協(xié)議［6］有類似之處，都是通過減少轉(zhuǎn)發(fā)RREQ和節(jié)點(diǎn)能量平衡，變廣播為多播來提高WBAN的性能，但研究的切入點(diǎn)不同，主要區(qū)別有以下幾點(diǎn)。

·EAAODV通過修改原AODV消息本身和多播RREQ的條件，MRDAODV只修改了多播RREQ的條件和hello消息格式，沒有修改修改原AODV消息本身；

·EAAODV通過RREQ、RREP消息來傳遞節(jié)點(diǎn)的剩

余能量，由其相鄰節(jié)點(diǎn)確定其是否具備轉(zhuǎn)發(fā)能力，MRDAODV節(jié)點(diǎn)自己確定是否具備轉(zhuǎn)發(fā)能力，與其他節(jié)點(diǎn)無關(guān)；

·EAAODV通過檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和移動(dòng)速度來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，MRDAODV通過hello消息維持連接，更能準(zhǔn)確及時(shí)地反映出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化；

·路由的維護(hù)兩個(gè)協(xié)議都依靠hello消息，EAAODV在路由形成后發(fā)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而返回RERR消息，而MRDAODV是在路由形成過程中返回RERR消息。

3 系統(tǒng)模型

本研究的系統(tǒng)模型與參考文獻(xiàn)［5］類似，如圖1所示，描述如下。

圖1 WBAN結(jié)構(gòu)

（1）有 N-1 個(gè)傳感節(jié)點(diǎn){S2，S3，…，SN}部署在被監(jiān)護(hù)者身上或體內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有唯一ID（大于1，為描述簡(jiǎn)單，該值與序號(hào)相同），節(jié)點(diǎn)互不相關(guān)。

（2）有 1個(gè)網(wǎng)關(guān)或 sink節(jié)點(diǎn)，其 ID=1（在 ID=1第 4.2節(jié)鄰居節(jié)點(diǎn)表中使用，表示無法到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)），收集所有傳感節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)與外界（PDA或PC）通信。

（3）傳感節(jié)點(diǎn)采用甚低功率的短距離傳輸，以一跳或多跳的方式向sink節(jié)點(diǎn)傳送感知的數(shù)據(jù)。

（4）傳感節(jié) 點(diǎn){S2，S3，…，SN}分為 兩類 ：一類是具 有 感 知和轉(zhuǎn)發(fā)功能的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，另一類是只感知自己數(shù)據(jù)的邊界節(jié)點(diǎn)。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)能根據(jù)自己剩余能量確定自己是否轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（5）不要求節(jié)點(diǎn)之間時(shí)間同步，但假定各節(jié)點(diǎn)時(shí)間相對(duì)同步。

4 協(xié)議描述

4.1 hello消息

本研究的hello消息由節(jié)點(diǎn)ID、到sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hops（取值 0～N）、到 sink 的下一跳節(jié)點(diǎn) next（節(jié)點(diǎn) ID，從該節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)方向）及是否轉(zhuǎn)發(fā)消息isforward（邏輯值：0不轉(zhuǎn)發(fā)，1轉(zhuǎn)發(fā)）組成，不管節(jié)點(diǎn)怎么分布，網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)間的最大跳數(shù)小于N。因此，任意節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hops=N時(shí)表示無法通過該節(jié)點(diǎn)到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)。在圖1中，sink 節(jié)點(diǎn)發(fā)出的 hello消息內(nèi)容為（1，0，1，1），對(duì)任意中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，收到其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的hello消息后，先將其加入鄰居節(jié)點(diǎn)表中（見第4.2節(jié)），然后查找鄰居節(jié)點(diǎn)表中未過期的最小hops值，如果查找到有數(shù)據(jù)項(xiàng)的hops＜N（說明該鄰居節(jié)點(diǎn)能夠到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)），就將該值加1；否則hops=N。最后將加1或等于N的hops值作為自己到sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，next用最小hops值的鄰居節(jié)點(diǎn)ID代替，并計(jì)算自己的能量消耗，確定自己是否具有轉(zhuǎn)發(fā)能力，形成自己的hello消息。對(duì)于圖1中的節(jié)點(diǎn)7，會(huì)收到來自鄰居節(jié)點(diǎn)1、6、8、16、19 發(fā)出的 hello 消息，但只有 sink 節(jié)點(diǎn)發(fā)出的hello消息hops值最?。?），因此轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)7發(fā)出的hello消息中：ID=7，hops=1，next=1，isforward=1，即（7，1，1，1）。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)7的鄰居表中未有到sink節(jié)點(diǎn)的有效 （hops＜N）路由時(shí)，其發(fā)出的 hello 消息為：ID=7，hops=N，next=0（表示目前無法達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)），isforward=1（盡管是轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，但不能轉(zhuǎn)發(fā)），即（7，N，0，0）。對(duì)于所有邊界節(jié)點(diǎn)，收到其鄰居節(jié)點(diǎn)廣播的hello消息后，只將其加入鄰居節(jié)點(diǎn)表中，自己發(fā)出的 hello 消息中的 hops（N）、isforward（0）是固定的，如邊界節(jié)點(diǎn)6發(fā)出的hello消息內(nèi)容為 （6，N，1，0）或（6，N，0，0）。

4.2 鄰居節(jié)點(diǎn)表與本地路由表

在本文的研究中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)保存一張鄰居節(jié)點(diǎn)表和一張本地路由表。鄰居節(jié)點(diǎn)表就是該節(jié)點(diǎn)收到所有鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)出的hello消息加上收到消息的時(shí)間 （接收節(jié)點(diǎn)自己的時(shí)鐘，作為有效判斷依據(jù)），表1列出了節(jié)點(diǎn)7的鄰居節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容。

表1 節(jié)點(diǎn)7鄰居節(jié)點(diǎn)

原AODV的本地路由表的表項(xiàng)主要有目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID和下一跳節(jié)點(diǎn)的ID組成，在節(jié)點(diǎn)收到RREP時(shí)形成該數(shù)據(jù)項(xiàng)［2］?？紤]到任意兩節(jié)點(diǎn)通信，該表可能有多項(xiàng)。在WBAN中，由于sink節(jié)點(diǎn)是所有數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID省略，但增加一項(xiàng)到sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hops。因此，修改后的路由表由到sink節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)ID（來自RREP）和到sink的跳數(shù)hops（來自鄰居節(jié)點(diǎn)表）組成，只有一條記錄。

當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)S需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，如果S沒有到sink節(jié)點(diǎn)的路由（本地路由表中無記錄）或當(dāng)前鄰居節(jié)點(diǎn)表到sink節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)hops小于本地路由表已有路由的hops時(shí)，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)根據(jù)滿足條件sendorforward（如圖2所示）的鄰居節(jié)點(diǎn)多播發(fā)出RREQ請(qǐng)求，否則繼續(xù)使用原路由，這樣當(dāng)WBAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí)，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)能以最短路徑將數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點(diǎn)（盡管原路由可能繼續(xù)有效）。某節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)表中可能會(huì)出現(xiàn)多個(gè)next值相同且hops值不同的情況，這說明next節(jié)點(diǎn)充當(dāng)了多條路徑的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)發(fā)出RREQ請(qǐng)求時(shí)，只選具有最小hops值的next節(jié)點(diǎn)發(fā)送，排除其他hops值的相同next節(jié)點(diǎn)，有效地減少了參與轉(zhuǎn)發(fā)RREQ請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)數(shù)，變廣播為多播。如果出現(xiàn)多個(gè)next節(jié)點(diǎn)且hops值也相同的情況，從表1中選擇接收時(shí)間最新的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 sendorforward條件

isforward 的值根據(jù)式（1）中節(jié)點(diǎn)剩余能量 Eres，i大于某閾值而確定為 1 或 0，式（1）、式（2）中的 Einit，i和 Econ，i、Nti和Nri及Eti和Eri分別為節(jié)點(diǎn)i的初始化能量和消耗能量、發(fā)送與接收的字節(jié)數(shù)及發(fā)送和接收一個(gè)字節(jié)消耗的能量。

4.3 協(xié)議算法

本協(xié)議算法分為兩部分：維持連接的hello協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層的MRDAODV協(xié)議。

（1）hello協(xié)議

步驟1 sink節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、邊界節(jié)點(diǎn)以周期τ（廣播hello消息周期）對(duì)鄰居表中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效性檢查，如果τ+接收時(shí)間小于節(jié)點(diǎn)自己的當(dāng)前時(shí)間，說明鄰居節(jié)點(diǎn)有效，否則說明鄰居節(jié)點(diǎn)過期而移除該節(jié)點(diǎn)。如果該節(jié)點(diǎn)在本地路由表中，同時(shí)移除路由表中的項(xiàng)。

步驟 2 形成自己的 hello消息（ID，hops，next，isforward）并廣播，其值見第4.1節(jié)。

步驟3 接收鄰居節(jié)點(diǎn)的hello消息，插入或更新鄰居節(jié)點(diǎn)表。

（2）MRDAODV 協(xié)議

協(xié)議中用到的發(fā)出或轉(zhuǎn)發(fā)RREQ的條件sendorforward如圖2所示，具體步驟如下。

步驟1 當(dāng)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)S有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，先根據(jù)條件sendorforward檢查是否有滿足要求的鄰居節(jié)點(diǎn)，如果沒有就等待，否則進(jìn)入步驟2。

步驟2 如果節(jié)點(diǎn)S的鄰居表中有到sink節(jié)點(diǎn)的hops=1或鄰居節(jié)點(diǎn)的next=1時(shí)，直接向sink節(jié)點(diǎn)（ID=1）或鄰居節(jié)點(diǎn)單播RREQ。

步驟3 節(jié)點(diǎn)S檢查本地路由表是否有到sink節(jié)點(diǎn)的表項(xiàng)（上次使用過的路由），如果沒有就直接向滿足條件sendorforward的鄰居節(jié)點(diǎn)多播RREQ消息，否則，比較鄰居節(jié)點(diǎn)的最小hops是否大于或等于路由表中的hops。如果是，繼續(xù)使用原路由，否則說明由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，節(jié)點(diǎn)S離sink節(jié)點(diǎn)更近，重新發(fā)出RREQ消息。

步驟4 中間節(jié)點(diǎn)M收到RREQ后，檢查自己的鄰居節(jié)點(diǎn)表是否有滿足sendorforward的數(shù)據(jù)項(xiàng)，如果沒有，返回RRER消息，表示沒有到sink節(jié)點(diǎn)的路由；否則，按步驟2、步驟3的方式轉(zhuǎn)發(fā)RREQ。

步驟5 sink節(jié)點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)收到一條或多條來自S的RREQ，選擇最短跳數(shù)路由后，反向?qū)㈨憫?yīng)消息RREP單播傳送給源節(jié)點(diǎn)S。

步驟6 中間節(jié)點(diǎn)M收到RREP，將鄰居節(jié)點(diǎn)ID和該ID對(duì)應(yīng)的hops加入本地路由表。

步驟7 源節(jié)點(diǎn)S收到RREP，按步驟6建立本地路由表，開始向sink節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。

步驟8 如果源節(jié)點(diǎn)S在一定時(shí)間內(nèi)收不到RREP（可能收到RREQ消息），說明由于結(jié)構(gòu)變化，沒有到sink節(jié)點(diǎn)的路由，轉(zhuǎn)步驟1。

5 性能分析與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

5.1 性能分析

廣播hello消息頻率越高，節(jié)點(diǎn)消耗的能量越大，參考文獻(xiàn)［14，15］分析實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)節(jié)點(diǎn)廣播 hello消息的周期超過1 s時(shí)，本身消耗的能量是很小的。本文綜合考慮到WBAN中各類節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的頻率，設(shè)置廣播hello消息的周期為2 500 ms，不考慮hello消息本身消耗的能量。

WBAN中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)是隨人體姿勢(shì)而移動(dòng)的，盡管節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變化帶來了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，但原有AODV路徑可能繼續(xù)有效（在有效傳輸距離內(nèi)）。例如，在圖3的3種姿勢(shì)伸直手臂、立正和抱胸中，節(jié)點(diǎn)15到sink節(jié)點(diǎn)的路由 15→16→7→1可能一直有效，MRDAODV協(xié)議能根據(jù)這種變化，減少參與轉(zhuǎn)發(fā)RREQ的節(jié)點(diǎn)數(shù)，找到最短路徑傳輸數(shù)據(jù)從而節(jié)省能量。下面以節(jié)點(diǎn)15作為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)，對(duì)3種情況的路由發(fā)現(xiàn)加以分析說明。

（1）伸直手臂

如圖3（a）所示，源節(jié)點(diǎn) 15單播 RREQ給節(jié)點(diǎn) 16，節(jié)點(diǎn)16（其鄰居節(jié)點(diǎn)6、節(jié)點(diǎn)19為邊界節(jié)點(diǎn)）單播RREQ給節(jié)點(diǎn)7；節(jié)點(diǎn)7有兩個(gè)具有轉(zhuǎn)發(fā)能力的鄰居節(jié)點(diǎn)8和節(jié)點(diǎn)1，但sink節(jié)點(diǎn)就在節(jié)點(diǎn)7的鄰居節(jié)點(diǎn)表中，選最短路徑，節(jié)點(diǎn)7直接單播RREQ給節(jié)點(diǎn)1，形成的路由為15→16→7→1。

（2）立正

如圖 3（b）所示，源節(jié)點(diǎn) 15 有 16、5、4、3 共 4 個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，其鄰居節(jié)點(diǎn)表見表2。4個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)可以通過節(jié)點(diǎn)2或節(jié)點(diǎn)3到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)，但節(jié)點(diǎn)5的next=1，排除其他節(jié)點(diǎn)，向節(jié)點(diǎn)5單播RREQ，形成的路由為15→5→1。

表2 節(jié)點(diǎn)15立正姿勢(shì)下鄰居節(jié)點(diǎn)

圖3 3種姿勢(shì)

（3）抱胸

如圖 3（c）所示，源節(jié)點(diǎn) 15 有節(jié)點(diǎn) 16、6、5、7、12、8、1共7個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，但到sink節(jié)點(diǎn)的hops=1，形成的路由為15→1。

從上面分析可以看出：“立正”和“抱胸”將“直手臂”的路由 15→16→7→1分別改為15→5→1和15→1，減少了傳輸跳數(shù)，節(jié)省了能量。

5.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

在NS-2.35網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境下比較EAAODV、MRDAODV兩種協(xié)議的性能，模擬參數(shù)除節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度受NS-2.35最小值限制外，其他與EAAODV相同。由于MRDAODV鄰居節(jié)點(diǎn)表中hello消息的接收時(shí)間為節(jié)點(diǎn)本地時(shí)鐘，因此發(fā)出的 hello 消息只需要 ID、hops、next、isforward 4 個(gè)數(shù)據(jù)字段，ID、next各占 1 byte（容納 255 個(gè)節(jié)點(diǎn)），isforward（1 個(gè)二進(jìn)制位）與hops共占1 byte，因此 hello消息的長(zhǎng)度為3 byte，模擬參數(shù)見表3。

比較 EAAODV、MRDAODV兩協(xié)議發(fā)出的 RREQ數(shù)量、能量消耗和數(shù)據(jù)傳輸率（PDR），能量消耗和PDR的計(jì)算參考式（1）、式（3）。假定節(jié)點(diǎn)每隔5 s產(chǎn)生一個(gè)數(shù)據(jù)，發(fā)送／接收一個(gè)字節(jié)都消耗0.01 mJ能量，即式（2）中Eti=Eri，節(jié)點(diǎn)能量低于40 mJ不再轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果如圖4、圖 5、圖 6所示。

表3 模擬參數(shù)

圖4 RREQ數(shù)量對(duì)比

其中，Ndr為在sink節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)分組總數(shù)，Nsd為數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)分組總數(shù)。

圖5 PDR對(duì)比

圖6 能量消耗對(duì)比

從圖4可以看出，MRDAODV協(xié)議RREQ數(shù)量少于EAAODV，在測(cè)試的前半段尤為明顯，這是因?yàn)樽畛跛修D(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)有足夠的能量，EAAODV在這段時(shí)間相當(dāng)于廣播RREQ，而MRDAODV多播RREQ的條件是鄰居節(jié)點(diǎn)能否到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)，減少了RREQ數(shù)量。在2 400 s時(shí)，許多節(jié)點(diǎn)能量已低于40 mJ，不再擔(dān)任轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，兩協(xié)議的RREQ數(shù)量下降都比較快。到3 600 s時(shí)能量全部耗盡，兩協(xié)議的RREQ數(shù)量趨于0，MRDAODV比EAAODV發(fā)出的RREQ請(qǐng)求數(shù)量平均低20%左右。

在圖5中，兩協(xié)議的PDR區(qū)別不明顯，MRDAODV優(yōu)于EAAODV約3.5%。這是因?yàn)橛?jì)算PDR未考慮時(shí)延、能耗等其他參數(shù)。隨著時(shí)間的增加，部分節(jié)點(diǎn)已不參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，兩協(xié)議PDR下降明顯。MRDAODV性能優(yōu)的原因是數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)钠骄鴶?shù)小于EAAODV，減少了碰撞和重發(fā)的概率。

圖6為扣除sink節(jié)點(diǎn)的能量消耗。從圖6中可以看出，MRDAODV協(xié)議的能量消耗比EAAODV要低，EAAODV協(xié)議在2 900 s時(shí)幾乎所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡，而MRDAODV協(xié)議在3 500 s時(shí)所有節(jié)點(diǎn)能量才趨于0，主要原因有兩個(gè)：在路由形成過程中，EAAODV選擇當(dāng)前有效的路徑作為傳輸路徑（并不一定是最小跳數(shù)），參與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)較多。而MRDAODV始終選擇最小跳數(shù)路由，降低了能耗和傳輸時(shí)延；在所有節(jié)點(diǎn)能量都充足時(shí)，EAAODV相當(dāng)于廣播RREQ，而這時(shí)MRDAODV選擇能到sink節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)RREQ，進(jìn)一步降低了能量消耗。

6 結(jié)束語

WBAN在部署方式、節(jié)點(diǎn)類型與規(guī)模、流量類型、時(shí)延、移動(dòng)性等方面不同于通用 WSN［5］，結(jié)合 WBAN本身的屬性設(shè)計(jì)新的傳輸協(xié)議，可以進(jìn)一步提高WBAN各層協(xié)議性能。本文提出了一種能量平衡的無線體域網(wǎng)絡(luò)AODV多播路由發(fā)現(xiàn)協(xié)議MRDAODV，通過修改hello消息格式，以sink節(jié)點(diǎn)為中心，周期性地逐級(jí)廣播hello消息，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)只向能達(dá)到sink節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)多播發(fā)送路由請(qǐng)求RREQ，降低了能量開銷。同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)能量平衡，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身能量消耗確定是否擔(dān)任轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，延長(zhǎng)了WBAN的使用壽命。下一步工作準(zhǔn)備研究WBAN在廣播不同頻率hello消息下的能量消耗規(guī)律，并研究在保證WBAN各節(jié)點(diǎn)連通性的情況下，如何降低廣播的hello消息總數(shù)，進(jìn)一步提高能量效率。

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An energy balance AODV protocol with multicast route discovery for wireless body area networks

TAN Jin，ZHANG Yujuan
College of Information Engineering，China Ji Liang University，Hangzhou 310018，China

In AODV protocol with the dynamic topology networks，the source node S requests a route to an arbitrary destination node D with flooding broadcast the RREQ message，but there is only one destination node sink in a WBAN，other nodes involved in receiving and forwarding RREQ have wasted energy except the nodes on minimum hop count routing.An energy balance AODV protocol with multicast route discovery for wireless body area networks was proposed，it increased the minimum hop count to sink hops，the next hop node to sink next and the node itself has the forwarding capability isforward three parameters in a hello message，and selects neighbors which could reach the sink only to participate in forwarding the RREQ message.This protocol effectively reduces the energy cost of the routing discovery through changing the broadcast to multicast，and prolongs the service life of WBAN with energy balance.The performance analysis and simulation experiment indicate that the proposed protocol is more advantaged than similar EAAODV in the number of RREQ，packet delivery ratio and energy consumption.

wireless body area network，AODV protocol，route discovery，hello message

The Nature Science Foundation of Zhejiang Province of China（No.LY16F020013）

TP393

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016204

2016-03-17；

2016-07-14

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.LY16F020013）

譚勁（1962-），男，博士后，中國計(jì)量大學(xué)副教授，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)與通信、多媒體技術(shù)。

張玉娟（1992-），女，中國計(jì)量大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線傳感網(wǎng)絡(luò)。