基于ZigBee和AODV协议的无线体域网性能仿真

引言

无线体域网(Wireless Body Area Network，WBAN)又称 体域传感网(Body Area Sensor Networks，BASN)，它是以人 体为中心的通信网络，是由分布于人体表面和人体内部的传感 器和组网设备以及与人体有关的网络元素构成。WBAN随 着医疗健康领域的飞速发展以及市场的巨大需求，越来越受 到学术界和产业界的青睐。

WBAN的业务种类异构，普通业务、紧急业务和按需 业务共存，因此其对数据传输技术有着特殊的要求。当 前WBAN主要采用的传输技术标准有蓝牙、ZigBee、超宽带 (UWB)、红外和NFC等。而ZigBee技术相比于其他技术具 有低复杂度、低功耗、低成本等优点，因此更加适合应用于 WBAN的数据传输。本文将ZigBee协议应用于WBAN， 结合经典的AODV协议，构建了 WBAN人体模型；进而利 用网络主流仿真软件NS2，仿真测试了衡量WBAN的可靠性 指标一丢包率和时效性指标一时延，探究了 ZigBee协议对 WBAN中数据传输的适用性。

1 ZigBee短距离无线通信技术的特点

ZigBee因专著于低成本、低速率等要求，它有如下特点:

廉价，ZigBee协议栈简单，软件实现简练，需要的 各项成本小，随着产品产业化的发展，ZigBee通信模块的 价格可降至两美元左右；

省电,ZigBee收发信息需要的功率很低,工作周期短,附有休眠模式，所以避免了更换电池和频繁充电；

网络容量大，每个ZigBee网络最多可支持255个设备;

安全,ZigBee有鉴权的能力，保证了用户的私人信息， 加强了保密性。此外，ZigBee还有可靠、较大的网络容量等 特点，使ZigBee有较好的应用前景和研究价值；

表1给出ZigBee与其他短距离无线通信技术的对比。 ZigBee与Bluetooth相比协议栈更简单，需要的软硬件资源相 对少很多，且可以支持更多的传感器节点，所以ZigBee的成 本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技术相比较来说，Wi-Fi 的应用相对成本高，功耗大，资源要求多；ZigBee和UWB 比较来说，后者有较高的通信速率和较大的数据容量，但缺 乏统一性的应用标准；ZigBee和NFC对比来看，ZigBee的 通信距离远大于后者，且功耗更低。因此从理论上讲，ZigBee 协议适合WBAN体征监测信息的数据传输。

表1. ZigBee与其他短距离无线通信技术的对比

2 AODV路由协议

本文依据所建WBAN中数据传输的要求，选择应用 AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)路由 协议。 AODV是一种反应式路由协议，也称为按需路由协议(On- demand Routing Protocol)，仅当有数据传输，需要包的传输 路径时，才开始进行路由查找。根据国内外学者探究的结果可 知，若考虑数据源的数目、模型中节点的可移动性、以及网络 负载问题时，按需方式的路由算法相比于其他的算法有着很大 的优势网。

AODV具体工作机制：当网络中的一个节点准备向网络中 的其他节点发送数据信息时，节点先检查本身有没有所要到达 目标节点的路由，如果自身没有储存所要到达目标节点的路由， 就开始以多播的形式发出RREQ（路由请求）报文。在所发的 RREQ报文中详细记录了源节点和目标节点的网络层地址，当 邻近节点收到源节点发出的RREQ后，首先进行判断目标节点 是否为自己。如果是，则向发起的节点发送RREP（路由回应）； 若不是，则在自己的路由表中查找其中是否有到达目标节点 的路由，如果有，仍然向源节点单播RREP，同样若没有，则 会继续转发接收到的RREQ进行进一步查找。概括来说，在 AODV路由情况下，网络中的每一个节点只有在需要进行通信 时才会发送路由分组，这样大大减少了路由查找的开销凹。

因此，AODV作为一种经典的路由协议，对于无线体域 网涉及的各个体征信息检测传感节点之间的数据传输来说可以 胜任。

3人体仿真模型的建立

在人身体上的一些关键部位，部署具有特定用途的传感 节点，用来实时采集人体的生理信息，在WBAN中，这样的 节点称为体征信息检测传感器节点它们把采集来的身体的生 理信息转发给汇聚节点，对于人体来说，汇聚节点可由手机充 当。汇聚节点再把接收到的信息通过卫星或局域网络最终传 送到专门的部门，以此来实现对人体健康状况的实时监测，同 时，也可以在自己的手机上储存身体各项生理指标的正常范围 区间，当源节点送来的某项生理值不在正常范围区间内时，便 会报警提醒所要检测的主体。上述过程可以通过编写专门的 程序来实现，比如当主体的血糖偏低时，手机会自动启动闹铃 功能，假设此时铃声设置为A，而当血压偏高时，闹铃将启 动铃声B，再进一步，也可以把出现的每种不正常生理状况的 应对策略以及注意事项，储存在主体的手机里，在闹铃提示 某种状况的同时，及时提供一些可行性建议。

本论文根据在人体范围内构建WBAN的特征：短距离、 低复杂度、低功耗、低速率、低成本，选择了 ZigBee协议和 AODV路由协议来进行无线数据传输。

首先，构建一个网络拓扑结构，考虑模型的现实应用性, 仿真以人身高180 cm，并根据所测主要指标的位置以及相对 应的比例，设定了十个传感器节点和一个汇聚节点（由手机来 担任）的坐标，在仿真中以CBR （Constant Bit Rate）包业务 发生器来充当人体传感节点待发送的生理信息，而不涉及具体 的信息采集过程以及每个传感节点采集信息的内部数据差别。 因此，在程序中设定汇聚节点只接收其他节点转发来的信息， 而自己不采集信息。具体模型如图1所示。

本模型中所设节点对应的生理参数均为对人体的健康状 况非常重要的指标，例如：n10心脏起搏传感器：可以实时采 集心脏的跳动情况，并把采集到的信息转化为相应的代码，心 脏的工作情况对于人体来说至关重要，有其对于有心脏病的群 体来说重要性更加突显；n3 EEG传感器：能感受大脑皮质电 位波形并转换成可用输出信号，实时检测大脑皮层的活动情况； n2, n9血压传感器：实时采集人的血压情况，把采集来的血 压转化为二进制码，检测血压值的变化，最终防止血压高或 者血压低带来人体的危害；n7作为汇聚节点（Sink Node）在此 相当于移动通信领域中的基站，保证传感器网络与外部网络进 行数据通信。

在人体及人体周围2 mX2 m范围内构建由11个节点组成 的无线体域网，接着我们创建了 10个UDP代理并把它们附加 到10个传感器节点上，然后为UDP代理附加1个CBR业务 发生器，该发生器可以在业务代理节点上产生数据包，在n7 汇聚节点上，10个传感器节点采用CSMA/CA机制向n7发送 CBR包，根据检测的业务信息不同设定包的大小不同，表2 所列是体征信息检测传感节点发送CBR包的大小，其发送速 率均为250 Kb/s,仿真运行时间为100 s。

4仿真分析

为了探究ZigBee协议对无线体域网络的适用性，利用网 络仿真软件NS2对构建模型进行了仿真，并对主要衡量可靠 性指标的丢包率，以及时效性指标时延进行了测量。在仿真 结束后，编写丢包率和时延的.awk提取文件，从仿真过后产 生的.tr文件中，提取出丢包率和时延信息。.tr文件的数据 格式如图2所示。

图2中，数据格式中每一部分的具体内容为：Event分为 3种情况s、r、D，分别对应s发送，r接收，D丢包；Time为事件发生时间 ；Node 为处理该事件的节点 ID ；Layer 分为3 种情况：RTR 路由器 Trace，AGT 代理 Trace，Mac 层代理；Flags 为分隔符 ；Pkt id 为分组 ID ；Pkt type 为分组类型 ；Pktsize 为分组大小 ；------ 为分隔符 ；MAC Layer Info 的数据如表 3 所列 ；IP Info 的数据则如表 4 所列。

我们从模拟仿真的.tr文件里随机抽取的一条记录如图3 所示。

对上述记录格式进行解释如下:在6.828 477 300 s时，一 个ID为7的节点MAC层接收了一个CBR分组，这个分组的 UID为42959,长度为32 B,源地址为1 ： 0,目标地址为7: 1, 分组生存周期为30,源地址到目的节点的跳数为2。

进一步编写 "CBR-drop.awk” 和 “CBR-delay.awk” 文件, 分别用于从跟踪文件.tr中统计整个网络的CBR包的丢包率和 CBR包端到端传输的时延信息。

图4为整个网络的丢包率统计。在仿真运行的100 s内， 10个传感节点共向Sink节点发送24 573个CBR数据包, sink节点共接收24 183个CBR数据包，丢包率为0.015 871。

图5为发包速率为250 Kb/s时的CBR包端到端传输时 延统计曲线。从仿真时延图中可以看出，仿真刚开始时，由于 WBAN的收发包机制刚刚建立起来，网络整体性能不稳定， 导致时延不稳定，上下浮动较大，等到网络整体相对稳定下来 后，端到端包的传输时延趋于一个相对稳定值0.2 ms。

5结语

本文中，WBAN仿真系统采用了 ZigBee无线通信协议 和AODV路由协议，在发包速率上限250 Kb/s时，丢包率在2% 以下，时延不超过0.3 ms,这样的丢包率和时延值对WBAN 系统中进行简单的体征信息数据传输来说，是合理的，即它 适用于无线体域网的短距离数据传输。该方法和结论对无线 体域网及类似无线通信网络选择短距离通信协议具有积极的 参考价值。

仿真中设定的10个传感节点所发CBR包的优先级等同， 而实际中，根据业务QoS需求数据包的优先级应是不同的。 下一步将针对不同的CBR包设定不同的优先级，进一步探讨 ZigBee技术在WBAN中的适用性。

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