无线体域网背景下的能耗有效控制的路由算法探析

发表时间:2019/1/10   来源:《建筑学研究前沿》2018年第31期   作者:高晶
[导读] 随着我国社会的不断发展,在当今无线体域网技术越来越成熟的情况下,无线体域网的应用在医疗以及体育方面都有十分广泛的前景。

       摘要:由于在无线体域网当中,各个传感器之间会有不同的节点,不同节点的能量都有限制,所以优化无线体域网络势在必行,在优化无线体域网络时,首先要对体域网的的路由进行优化,在优化过程当中降低网络使用的能耗是整个过程的关键,在体域网路由算法当中,能耗问题一直是人们最重视的问题,本文通过提出了一种基于功率控制的算法(Power Control - AODV,PC- AODV)来对能耗进行有效的控制。在此算法当中,将采用独立的节点传输链路,将能耗问题看做节点,随后对拟合节点的发射功率进行套就,对于节点所剩余的能量以及在运输路径当中条数的函数,将这两者进行建模研究,从而进行仿真结果的总结,最后与AODV的算法进行对比,最终证明在PC-AODV当中能够有效降低能耗,从而使网络的使用期变长。
        关键词:无线体域网;能耗控制;路由算法
       
       
        前言
        随着我国社会的不断发展,在当今无线体域网技术越来越成熟的情况下,无线体域网的应用在医疗以及体育方面都有十分广泛的前景。在无线体域网当中,具有自主配置等优秀特点,在无线体域网的节点当中由于大多数采用的都是电池进行供电,所以节点的能量有限,除此以外WBAN的链路是属于无线信道,再加上人体的活动以及运动是未知的无法预测的,因此,加入节点功率作为控制因素对WNAN进行研究是十分有必要的。本篇文章是在原有的无线体域网的AODV算法上,以延长体域网的使用时间为主要目的,从而设计了一种通过功率从控制的能够有效降低能源消耗的算法:PC-AODV。运用此算法的路由可以根据WBAN的状况及时调节发射的功率以及进行信号传输的路径,使节点能量在最大限度上能够被完全利用,从而得以通过matlab的验证。
        1.无线体域网
        在无线体域网当中,体域网的系统可以通过采集人体各种各样的信息例如呼吸、血压等等,然后将信息集中然后利用传感器节点进行运输,在汇聚信息之后通过无线局域网以及无线服务技术等等来将其实时发送到个人的资料库服务器里面,从而可以通过网络信息技术等来实现与远程的医疗库连接等等,从而对穿戴无线局域网的人进行及时的将健康检测,或是根据人的状态及时提供医疗帮助。
        2.无线体域网节点能耗分析
        人们在实际上应用无线局域网时,应该在局域网的最佳状态减少数据传输时的跳数,这样一来在很大程度上使得无线体域网的传输成功率大幅大增加.基于此,在无线体域网当中动态的调节节点进行发射功率是十分重要的。假如使无线体域网当中的节点发射功率保持不变,那么在各种各样的传输距离下势必会造成节点能量的浪费,从而使网络可以使用的效率越来越低,以此为了使无线体域网当中的能量能够完全发挥作用,得到有效的利用,延长其使用期限,那么无线体域网在保证其数据传输精准,并且能够有效接收的情况下,在一定程度下,尽可能减少各个节点的发射功率,这样一类不仅有效利用了资源减少了能量的浪费,更是在使用过程当中提高了无线信道的空间复用度。
        如图一所示,无线体域网在数据传输的过程当中,体域网内的每个节点都会在固定的时间内给调节点传送一个信息,这个数据信息的名称为HELLO,并且在传送信息之后还要进行请求回复,这个时候,接收端会根据上一跳点与下一跳点之间的距离来进行不断地调整,从而使信息能够顺利的传递。但是,如果发送端在发送过后没有接收到接收端反馈的信息,那么就会接着发送一个名为ERROR的信息给上跳节点与下跳节点,并且会在无线体域网的路由器当中传送数据发送中断的信息。随后,在路由表当中,会进行删除等功能,之后路由器寻找新的传输路径。
        
        3.无线体域网节点发射功率分析
        在无线体域网当中,在信息传输时,确保信息准确的情况下,可以通过调节节点的发生功率来满足各种各样的传输半径,这样做可以使节点的能量消耗到最小,从而使使用时间增加,在实际应用无线体域网时,应该尽可能的选用比较靠谱的链路进行传输,如此一来可以有效地减少数据的跳数,这样一来数据传输的传送路能够大大提升[1]。如果选择了可靠性较差不稳定的传输链路,那么无线体域网在进行信息传送时失败率会不断增加,如果在传输时宝石节点的发射功率不变的话,那么由于信息的传送距离不同,就会导致信息在传递过程中发生下一跳传送失败的情况。综上所述,这些原因都会直接或者间接地导致网络资源的使用率降低,网络资源的利用率低了,那么就会造成能量消耗变大,从而导致无线体域网的使用时间较短。在无线体域网当中,传输信息路径的稳定性受很多因素影响,节点的连接方式也一样会被多种多样的因素所限制。例如,无线信道的干扰,节点自身能量的影响等等。我们在研究无线体域网的节点能量利用率以及信息传送链路对传送路径稳定性影响时,在路由当中大致可以分为两种:第一种为多径路由链路独立第二种为节点独立多径路由,在第一种形式当中指的是,在进行传送信息的路径当中有共同使用的节点,但是没有可以共同使用的链路。第二种指代的是,在传输路径当中除了源头的节点相同与目的地的节点相同之外,在传输路径当中再没有共同的节点,但是在各个传输路径当中,路径是保持独立的(如下图所示)。
        
        如上图所示这两种路由模型,在对其链路传输的断裂概率进行比较。每个节点发生问题的概率用P来表示,用AI,BI,CI,DI来表示各个相对独立的链路上的节点,PO表示在节点独立的情况下路由发生问题的概率,具体计算公式如下所示[2]。
        P0=[1 -(1 - P)n][1 -(1 - p)m]
        当链路进行独立之后,在共同应用一个节点时链路发生状况的概率为
        P1=[1 -(1 - p)n- 1][1 -(1 - p)m- 1]
        在对着两条路径进行对比稳定时为以下算式:
        f1(p) = P1- P0
        = p[1 -(1 - p)n- 1-(1 - p)n- 1+(2 - p)(1 - p)n- 1(1 - p)m- 1]
        ≥p[1 -(1 - p)n- 1][1 -(1 - p)m- 1]≥0
        即 P1≥P0
        从以上算式中可以得出,在两种类型的路由器当中,节点独立型的路由稳定性性别与有共用节点的独立性链路的路由高,当在链路独立性路由当中有(K)大于等于二的节点时,链路路径产生文体的概率为Pk≥P1≥P0[3]。
        根据算法我们可以得出结果,第一,在独立型链路路由当中,数据再进行路径传输时,如果在一起使用的节点数过多,那么在独立的链路当中,出现故障的概率就越高,这样一来信息传送路径的稳定情况就越差。第二,在节点独立型的路由当中,它出现的问题概率相比于独立型链路路由的问题概率小,且在节点独立性路由当中,信息传送路径稳定,在一定程度上大大减少了节点的能量消耗,延长了无线体域网的生存时间。
        4.基于功率控制的 PC - AODV 路由算法
        在体域网当中,影响网络最关键的因素是各个节点的能量,由于各个节点的能量有限,导致能量耗尽之后,网络不能正常工作。因此保证传输路径能够正常运行就应该减少节点的耗能,通过PC-AODV 路由算法我们可以通过设函数解函数来对选择最佳路径。
        5.仿真分析
        在无线体域网当中,大多数都是基于Matlab 对其进行仿真分析,无线体域网的生存时间被定义为开始工作指导信息传输当中的节点能量耗尽。在这个定义下,在一模一样的条件下,让节点最后的剩余能量与网络可以生存的期限相比,AODV相比于PC-AODV的路由算法,在发送相同的信息量下,对节点的消耗较高[4]。
        结语
        在实际应用当中,无线体域网的应用具有很大的发展前景,由其是在医疗领域方面,在本篇文章当中,通过对AODV的算法提出了新的改进方法,提出了PC-AODV的新路由算法,这种新路由算法的提出更适合降低WBAN的能耗。同时我们也得知了,在无线体域网当中,应该尽量选择链路较为稳定并且在路由当中跳数较少,节点能量剩余丰富的路径,控制此路径的方法主要以控制功率为主,然后对路径优化通过动态调节功率来实现,在最后的仿真阶段我们得出了,PC-AODV算法在进行信息传输的过程当中能够有效地利用网络当中的资源,从而使能量消耗降低到最小,从而在很大程度上可以提升无线体域网的使用时间。
        参考文献
        [1]彭艺,张耸.面向无线体域网的能耗控制路由算法研究[J].软件导刊,2017(12):86-89.
        [2]经贞,谢志军,石守东,等.一种基于反馈调节的无线体域网功率控制算法[J].计算机工程,2017,43(4):100-104.
        [3]贾燕燕,谢志军,经贞.无线体域网低能耗功率控制与分布式调度算法[J].传感器与微系统,2018(1):124-128.
        [4]郑威,邓星冉,王梓睿.一种面向无线体域网的节能机制[J].电子技术与软件工程,2014(6):23-23.

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