【摘 要】
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无线体域网(Wireless body area network,WBAN)作为无线传感器网络(Wireless Sensors network,WSN)的一个特殊分支,是一个以数据为中心的小型网络。由于WBAN中传感器节点的体积微小,能量资源有限,且采集的数据关乎人体的生命健康,所以需要设计节能可靠的通信协议,在保证数据传输的可靠性基础上,提高节点的能量效率,均衡网络的能耗,延长网络寿命。路由协
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无线体域网(Wireless body area network,WBAN)作为无线传感器网络(Wireless Sensors network,WSN)的一个特殊分支,是一个以数据为中心的小型网络。由于WBAN中传感器节点的体积微小,能量资源有限,且采集的数据关乎人体的生命健康,所以需要设计节能可靠的通信协议,在保证数据传输的可靠性基础上,提高节点的能量效率,均衡网络的能耗,延长网络寿命。路由协议负责为WBAN网络数据的传输构建合适的通信路径,在WBAN的整体网络设计中占据重要的地位,因此本文主要针对WBAN中节能可靠的路由协议开展研究。本论文的主要贡献如下。首先,本文通过对WBAN中现有的路由协议进行详细的分析,将其路由协议按照方法的不同分类为:基于温度的路由、基于簇的路由、基于跨层的路由、基于移动的路由、基于Qo S的路由和基于代价的路由等六类,并对每一类路由方法进行了详细的分析;总结了目前WBAN路由协议设计存在的一些关键性问题,为下一步的路由协议设计提供了思路。接着,针对当前WBAN多跳路由中下一跳节点的选择不合理,造成节点的能量利用效率较低、传输可靠性较差等问题,研究了一种用于WBAN可靠性传输的高效路由协议(An Energy-efficient Routing Protocol for Reliable Data Transmission,ER-ERDT)。该协议综合考虑节点的剩余能量、传输效率、可用带宽和距离sink的跳数等参数,并分别进行归一化处理构造了用于选择最佳下一跳节点的最大效益函数。同时,利用层次分析法为不同优先级的数据计算合适的权重,不仅能保证数据的可靠性传输,而且可以提高节点的能量利用效率,延长网络寿命。仿真结果验证了ER-ERDT协议在提高节点的能量利用效率、保证数据的可靠性传输、延长网络寿命等方面的有效性。然后,针对目前WBAN路由协议存在的网络能耗不均衡,网络中心的节点与边缘的节点的能量差距较大的问题。本文采用非均匀分簇的方法,研究了一种高效的非均匀分簇路由协议(An Energy-efficient Uneven Clustering Routing Protocol,ER-UCRP)。该协议在进行非均匀分簇时综合考虑节点的多个参数进行簇头的选择以及簇群划分,且距离sink节点越近其成簇的规模就越小,反之则越大。将网络中的节点分成非均匀分布的簇群来均衡网络中心的节点与边缘节点的能耗,簇内采用一跳的传输的方式,簇间则采用多跳的路由,其中下一跳节点通过构造一个多参数的代价函数来选择。仿真结果验证了ER-UCRP协议在均衡网络能耗、延长网络寿命等方面的有效性。最后,针对目前WBAN路由协议通常只选择一条路径来传输数据,一旦该路径出现故障时造成数据传输失败,从而影响数据可靠性传输的问题。本文在非均匀分簇的基础上,研究了一种基于非均匀分簇的多径路由协议(A Multi-path Routing Protocol Based on Uneven Clustering,UC-MPRP)。该协议采用节点独立的多径路由模型在簇间进行多径的设计,通过一个多参数的代价函数来选择一条最优路径和一条次优路径,并基于数据的优先级为不同类型的数据选择不同的传输路径。该协议通过采用多径路由的方法可以使更多的节点参与数据的转发,不仅提高了数据传输的可靠性,而且均衡了网络能耗。仿真结果验证了UC-MPRP协议在保证数据的可靠性传输、均衡网络能耗等方面的有效性。
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