引言

無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network，WBAN)又稱 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)展以及市場的巨大需求，越來越受 到學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的青睞。

WBAN的業(yè)務(wù)種類異構(gòu)，普通業(yè)務(wù)、緊急業(yè)務(wù)和按需 業(yè)務(wù)共存，因此其對數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有著特殊的要求。當 前WBAN主要采用的傳輸技術(shù)標準有藍牙、ZigBee、超寬帶 (UWB)、紅外和NFC等。而ZigBee技術(shù)相比于其他技術(shù)具 有低復雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點，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；進而利 用網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2，仿真測試了衡量WBAN的可靠性 指標一丟包率和時效性指標一時延，探究了 ZigBee協(xié)議對 WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m用性。

1 ZigBee短距離無線通信技術(shù)的特點

ZigBee因?qū)Ｖ诘统杀?、低速率等要求，它有如下特點:

廉價，ZigBee協(xié)議棧簡單，軟件實現(xiàn)簡練，需要的 各項成本小，隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，ZigBee通信模塊的 價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ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備;

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

表1給出ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)的對比。 ZigBee與Bluetooth相比協(xié)議棧更簡單，需要的軟硬件資源相 對少很多，且可以支持更多的傳感器節(jié)點，所以ZigBee的成 本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術(shù)相比較來說，Wi-Fi 的應(yīng)用相對成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB 比較來說，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)用標準；ZigBee和NFC對比來看，ZigBee的 通信距離遠大于后者，且功耗更低。因此從理論上講，ZigBee 協(xié)議適合WBAN體征監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)傳輸。

表1. ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)的對比

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，也稱為按需路由協(xié)議(On- demand Routing Protocol)，僅當有數(shù)據(jù)傳輸，需要包的傳輸 路徑時，才開始進行路由查找。根據(jù)國內(nèi)外學者探究的結(jié)果可 知，若考慮數(shù)據(jù)源的數(shù)目、模型中節(jié)點的可移動性、以及網(wǎng)絡(luò) 負載問題時，按需方式的路由算法相比于其他的算法有著很大 的優(yōu)勢網(wǎng)。

AODV具體工作機制：當網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點準備向網(wǎng)絡(luò)中 的其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，節(jié)點先檢查本身有沒有所要到達 目標節(jié)點的路由，如果自身沒有儲存所要到達目標節(jié)點的路由， 就開始以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請求）報文。在所發(fā)的 RREQ報文中詳細記錄了源節(jié)點和目標節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層地址，當 鄰近節(jié)點收到源節(jié)點發(fā)出的RREQ后，首先進行判斷目標節(jié)點 是否為自己。如果是，則向發(fā)起的節(jié)點發(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目標節(jié)點 的路由，如果有，仍然向源節(jié)點單播RREP，同樣若沒有，則 會繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的RREQ進行進一步查找。概括來說，在 AODV路由情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點只有在需要進行通信 時才會發(fā)送路由分組，這樣大大減少了路由查找的開銷凹。

因此，AODV作為一種經(jīng)典的路由協(xié)議，對于無線體域 網(wǎng)涉及的各個體征信息檢測傳感節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸來說可以 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，用來實時采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的 節(jié)點稱為體征信息檢測傳感器節(jié)點它們把采集來的身體的生 理信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，對于人體來說，匯聚節(jié)點可由手機充 當。匯聚節(jié)點再把接收到的信息通過衛(wèi)星或局域網(wǎng)絡(luò)最終傳 送到專門的部門，以此來實現(xiàn)對人體健康狀況的實時監(jiān)測，同 時，也可以在自己的手機上儲存身體各項生理指標的正常范圍 區(qū)間，當源節(jié)點送來的某項生理值不在正常范圍區(qū)間內(nèi)時，便 會報警提醒所要檢測的主體。上述過程可以通過編寫專門的 程序來實現(xiàn)，比如當主體的血糖偏低時，手機會自動啟動鬧鈴 功能，假設(shè)此時鈴聲設(shè)置為A，而當血壓偏高時，鬧鈴將啟 動鈴聲B，再進一步，也可以把出現(xiàn)的每種不正常生理狀況的 應(yīng)對策略以及注意事項，儲存在主體的手機里，在鬧鈴提示 某種狀況的同時，及時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)議來進行無線數(shù)據(jù)傳輸。

首先，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實應(yīng)用性, 仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測主要指標的位置以及相對 應(yīng)的比例，設(shè)定了十個傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點（由手機來 擔任）的坐標，在仿真中以CBR （Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù) 發(fā)生器來充當人體傳感節(jié)點待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體 的信息采集過程以及每個傳感節(jié)點采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。 因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點只接收其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的信息， 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)點對應(yīng)的生理參數(shù)均為對人體的健康狀 況非常重要的指標，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實時采 集心臟的跳動情況，并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼，心 臟的工作情況對于人體來說至關(guān)重要，有其對于有心臟病的群 體來說重要性更加突顯；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，實時檢測大腦皮層的活動情況； n2, n9血壓傳感器：實時采集人的血壓情況，把采集來的血 壓轉(zhuǎn)化為二進制碼，檢測血壓值的變化，最終防止血壓高或 者血壓低帶來人體的危害；n7作為匯聚節(jié)點（Sink Node）在此 相當于移動通信領(lǐng)域中的基站，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進 行數(shù)據(jù)通信。

在人體及人體周圍2 mX2 m范圍內(nèi)構(gòu)建由11個節(jié)點組成 的無線體域網(wǎng)，接著我們創(chuàng)建了 10個UDP代理并把它們附加 到10個傳感器節(jié)點上，然后為UDP代理附加1個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)點上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在n7 匯聚節(jié)點上，10個傳感器節(jié)點采用CSMA/CA機制向n7發(fā)送 CBR包，根據(jù)檢測的業(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傳感節(jié)點發(fā)送CBR包的大小，其發(fā)送速 率均為250 Kb/s,仿真運行時間為100 s。

4仿真分析

為了探究ZigBee協(xié)議對無線體域網(wǎng)絡(luò)的適用性，利用網(wǎng) 絡(luò)仿真軟件NS2對構(gòu)建模型進行了仿真，并對主要衡量可靠 性指標的丟包率，以及時效性指標時延進行了測量。在仿真 結(jié)束后，編寫丟包率和時延的.awk提取文件，從仿真過后產(chǎn) 生的.tr文件中，提取出丟包率和時延信息。.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，分別對應(yīng)s發(fā)送，r接收，D丟包；Time為事件發(fā)生時間 ；Node 為處理該事件的節(jié)點 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文件里隨機抽取的一條記錄如圖3 所示。

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

進一步編寫 "CBR-drop.awk” 和 “CBR-delay.awk” 文件, 分別用于從跟蹤文件.tr中統(tǒng)計整個網(wǎng)絡(luò)的CBR包的丟包率和 CBR包端到端傳輸?shù)臅r延信息。

圖4為整個網(wǎng)絡(luò)的丟包率統(tǒng)計。在仿真運行的100 s內(nèi)， 10個傳感節(jié)點共向Sink節(jié)點發(fā)送24 573個CBR數(shù)據(jù)包, sink節(jié)點共接收24 183個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時的CBR包端到端傳輸時 延統(tǒng)計曲線。從仿真時延圖中可以看出，仿真剛開始時，由于 WBAN的收發(fā)包機制剛剛建立起來，網(wǎng)絡(luò)整體性能不穩(wěn)定， 導致時延不穩(wěn)定，上下浮動較大，等到網(wǎng)絡(luò)整體相對穩(wěn)定下來 后，端到端包的傳輸時延趨于一個相對穩(wěn)定值0.2 ms。

5結(jié)語

本文中，WBAN仿真系統(tǒng)采用了 ZigBee無線通信協(xié)議 和AODV路由協(xié)議，在發(fā)包速率上限250 Kb/s時，丟包率在2% 以下，時延不超過0.3 ms,這樣的丟包率和時延值對WBAN 系統(tǒng)中進行簡單的體征信息數(shù)據(jù)傳輸來說，是合理的，即它 適用于無線體域網(wǎng)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。該方法和結(jié)論對無線 體域網(wǎng)及類似無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇短距離通信協(xié)議具有積極的 參考價值。

仿真中設(shè)定的10個傳感節(jié)點所發(fā)CBR包的優(yōu)先級等同， 而實際中，根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級應(yīng)是不同的。 下一步將針對不同的CBR包設(shè)定不同的優(yōu)先級，進一步探討 ZigBee技術(shù)在WBAN中的適用性。

20211120_6198d69e42778__基于ZigBee和AODV協(xié)議的無線體域網(wǎng)性能仿真