异构无线体域网的能耗均衡分簇路由算法研究.pdf
摘要
摘要
无线体域网(WirelessBodyAreaNetwork，WBAN)是一种新型的无线传感网络
技术，通过多个传感器节点组成大范围的无线传感网络，将数据采集，汇总并发
送至上位机，从而实现对人体生理信息和人体周边环境参数的实时监测。其特点
是低功耗，自组织，自适应和高效的数据传输，被广泛应用于医疗等领域，可以
解决医疗资源紧张、大规模人群样本采集、慢性病发现晚等多种问题。但是目前
WBAN仍面临传输能耗高，网络生命周期短，信息传输质量低等问题，亟需一种
有效的解决手段。
本文的主要内容和创新性成果如下：
（1）针对无线传感网络中(WirelessSensorNetwork,WSN)传统层次路由协议
簇头选举不合理，簇间单跳传输造成的网络生命周期短，网络能量空洞的问题，
提出了一种基于传输代价的能耗均衡分簇路由算法(EnergyEquilibriumClustering
basedonTransmissionCost，EECTC)，根据节点的剩余能量、位置信息、邻居节点
密度等信息进行簇头选举，从而选取更稳定、更有效的簇头节点；在数据传输阶
段，采用了以节点能量和距离为因素的路由选择规则，形成一种更合理的簇间多
跳方式。实验果表明，EECTC协议相较于PEGASIS(Power-EfficientGatheringin
SensorInformationSystems)协议在首个节点死亡轮数上提升了两倍，相较于
LEACH(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)协议提升了87.5%，相较于
LEACH-E(LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy-Energy)协议提高了50%，有效
地延长了网络稳定期。
（2）针对现有WBAN模型的研究不全面以及移动模型仿真结果不能反应实
际情况下人体运动特性的问题，提出了一种融合了人体移动模型和人体信道模型
的异构WBAN网络结构，以Adhoc网络模型为基础，构建了同时符合群组移动和
人体肢体相对移动特点的随机高斯-马尔科夫人体移动模型(ReferencePointGroup-
RamdomGauss-MarkovHumanMobilityModel，RPG-RGMM)；同时在人体移动模
型下，由于环境反射造成不同的视距与非视距信道，研究总结了不同反射情况以
及不同信道类型下的节点信号接收强度的变化规律；在一阶无线传输能耗模型的
基础上，融合了Zigbee节点的参数信息，构建了新的基于Zigbee的WBAN信道
传输能耗模型，为后续的路由协议设计提供更加精确的数据基础。
（3）针对异构WBAN人体移动模型的特点，设计以一种基于Zigbee的无线
体域网监测设备，并提出一种基于网络指标的自适应分簇路由算法，旨在减小网
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江苏科技大学电子信息硕士学位论文
络能耗，提高网络服务质量。该协议依据节点的移动速度、节点的信道类型、节
点的信号接收强度、节点的丢包率等网络指标来求解终端节点到路由节点的最佳
路径，计算路径代价时通过极差变化法将不同网络指标归一化，并给予合适的权
重作为其权重因子，寻找最小传输代价的路径。该系统利用Zigbee节点分别作为
终端节点，路由器，协调器附着于人体表面进行实验，各节点的网络功能不同，
且节点搭载的传感器类型不同，形成了节点异构特性的无线体域网络，同时在云
端Onenet监测平台能够实时监测人体各项数据并记录日志进行分析，实验结果表
明，这一设计在医疗应用领域有发展前景。
关键词异构无线体域网；人体移动模型；分簇路由算法；Zigbee
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摘要I
Abstra