本发明专利技术提供了一种多WBAN共存网络中基于加权组簇的低能耗协同组网方法，它应用于多WBAN共存场景，主要解决可穿戴设备使用WiFi通信引起的高能耗问题。该方法基于WiFi与蓝牙相结合的基础上，引入加权组簇策略，寻找剩余能量较高、移动速度较低、距离基站较近的终端作为簇头，簇头使用蓝牙与相邻用户的设备通信，收集数据并使用WiFi与AP进行通信。在保证用户通信质量的前提下，减少设备WiFi接口不必要的能量开销，提高网络能量利用效率，延长可穿戴设备使用时间，使整个网络的具有更长的稳定通信寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线通信领域，涉及可穿戴设备在多WBAN共存网络中利用WiFi和蓝 牙进行协同通信以及加权组簇的技术。
技术介绍
随着可穿戴技术的飞速发展，可穿戴设备已经广泛应用于医疗看护、健康监测等 领域。由于可穿戴设备传感器体积小，携带的能量资源有限，如何在保证高质量用户体验的 同时，延长可穿戴设备的使用时间，成为当今面临的主要挑战之一。随着当前WBAN用户数 量的增加，在一定地理范围内各个用户的可穿戴设备形成多WBAN共存的网络体系，相对于 孤立的WBAN网络，多WBAN共存的网络场景为能耗节省方案提供了更多的可能性。 在传统的WBAN网络中，用户携带的通信终端收集用户身上可穿戴设备产生的业 务数据，通过WiFi/GSM与AP进行信息交互。例如，医疗监测WBAN中，用户穿戴的传感器将 数据发送给用户携带的协调器（如手机），协调器通过WiFi/GSM将采集到的用户身体状况 发送给AP，再由医院方面接收信息并进行监控。WiFi通信具有高能耗、高速率的特点。然 而在医疗看护和健康监测WBAN中，用户设备产生的业务数据量并不高，WiFi接口大部分时 间处于待机状态，高昂的待机能耗大幅缩短了 WBAN网络的工作寿命。 蓝牙作为一种低能耗的通信技术，已经广泛应用于手机和许多可穿戴设备，用来 实现短距离内设备的信息交互。然而蓝牙通信具有低速率、短距离的局限性，不适用于高数 据率，长距离通信。在WBAN中同时使用WiFi和蓝牙技术，利用蓝牙取代部分WiFi，不仅节 省待机能耗，更提尚能量利用效率，达到延长网络寿命的目的。 经对现有文献检索发现，T. Pering等人在《Wearable Computers, 2008. ISWC 2008. 12th IEEE International Symposium》上发表的"SwitchR:Reducing System Power Consumption in a Multi-Client, Multi-Radio Environment" 文章中提出了一种基于蓝 牙技术的低能耗可穿戴设备组网方法。该方法利用蓝牙实现设备与gateway之间的通信， 蓝牙gateway收集周围节点业务数据，并利用WiFi与AP通信。当Bluetooth无法承载当 前数据率时，用户设备才启用WiFi接口，减少了 WiFi接口工作的时间。但是该方法要求AP 同时具有WiFi和蓝牙接口，对AP端硬件设施有一定要求，且AP需要同时处理不同频段的 信号，增加了 AP的管理开销。 另经检索发现，Jong-WoonYoo 等人在《IEEE TRANSACTIONS ON MOBILE COMPUTING, VOL. 10, NO. 5, APRIL 2011》上发表的"ACooperative Clustering Protocol for Energy Saving of Mobile Devices with WLAN and Bluetooth Interfaces" 文章中提出 CONET方法，在用户设备间引入基于能量的组簇算法，用户设备之间通过蓝牙进行成簇，簇 头节点通过蓝牙收集簇内子节点信息，并利用WiFi与AP进行通信，该方案不要求AP支持 蓝牙，同时对于小范围具有一定规模的网络，能够较为有效的降低网络能耗。然而该方案并 没有考虑用户的移动速度、地理位置等因素，当簇头移动速度较快，距离AP较远时，子节点 出现通信失败概率较大。此外，由于蓝牙通信的短距离特性，组簇结果受到用户地理位置分 布的影响，可能由于节点的线性拓扑结构导致组簇失败的问题。 因此，本领域的技术人员致力于开发一种多WBAN共存网络协同组网方法，在WBAN 网络分布较为集中的场所，通过使用WiFi和蓝牙协同组网的方式来节省功耗。
技术实现思路
有鉴于现有技术的上述缺陷，本专利技术所要解决的技术问题用户设备产生的业务数 据量并不高，WiFi接口大部分时间处于待机状态，高昂的待机能耗大幅缩短了 WBAN网络的 工作寿命。 为实现上述目的，本专利技术提供了一种多WBAN共存网络协同组网方法，所述方法包 括利用WiFi和蓝牙协同组网，并设置每个WBAN用户为一个节点，根据所述节点的工作状态 选择合适的簇头，所述簇头内子节点使用蓝牙代替WiFi进行通信，并且所述节点间轮流当 选所述簇头。 进一步地，所述节点间轮流当选所述簇头，包括权重计算与广播阶段、权重比较阶 段及延迟竞选阶段。 进一步地，所述权重计算与广播阶段包括下列步骤： 1-1)采用自适应加权算法，每个所述节点计算出自己的权重，计算公式为： W = a E/E_max- β V/V_max- γ S/S_max 其中，W为节点权重，E为节点剩余能量，E_max为节点最大储能，V为节点移动速 度，V_max为节点最大移动速度（通常以lOm/s计算），S为节点与AP距离，S_max为WiFi 有效通信距离；α、β、γ为加权系数，三者均为正数，且满足α + β + γ = 1 ; 1-2)通过蓝牙广播给周围节点。 进一步地，所述权重比较阶段包括下列步骤： 2-1)对于每个所述节点，将自身权重和蓝牙通信范围内其他节点的权重进行比 较，如果存在比自己权重更大的节点，则放弃簇头竞选，并进入收听模式； 2-2)如果自身权重最大，则成为簇头； 2-3)成为簇头的节点向周围发送簇头广播，处于所述收听模式的节点收到簇头广 播，贝 lJ向所述簇头发送入簇申请； 2-4)所述簇头收到某一节点的入簇申请后，首先判断加入该节点后，整个簇产生 的数据率是否超过蓝牙带宽；如果未超过，则接受入簇申请；否则拒绝入簇申请。 进一步地，所述延迟竞选阶段包括下列步骤： 3-1)对于在所述权重比较阶段未成为簇头的节点根据自身权重设置监听时间Τ， 在监听时间内，节点设置为收听模式，收听簇头广播；监听时间T计算公式为： 其中T为监听时间，Τ_0为单次通信时间（单位为毫秒），N为离散化系数，W为节 点权重，W_max为权重最大可能取值，其值为α，即节点满足E = E_max，V = 0, S = 0的条 件时W的取值； 3-2)处于收听模式的节点，收到簇头广播后，保存簇头信息并建立候选簇头列表， 选择其中权重最大的簇头发送入簇申请；如果入簇申请被拒绝，则从簇头列表中删除该簇 头，向剩余候选簇头中权重最大簇头发送入簇申请；如果列表为空，则保持收听模式，直至 收到簇头广播或监听时间T结束； 3-3)如果节点经过监听时间T后仍未入簇且簇头列表为空，则成为簇头并发送簇 头广播。 进一步地，所述监听时间的最大取值为： 即节点E近似于0, V = V_max，S = S_max时的监听时间；组簇阶段耗时取决于T_ max以及权重计算和广播时间之和。 进一步地，所述监听时间T计算公式中，单次通信时间T_0数值上为簇头广播传播 时间加上软件处理时间，与设备性能和场景有关。 进一步地，所述离散化系数N决定组簇耗时和灵敏度，N越大，相近权重节点越容 易区分，但同时组簇阶段耗时增长；N越小，组簇阶段耗时越小，但权重相近的节点越难区 分。 进一步地，所述离散化系数N取值范围为20-50。 进一步地，系数α、β、γ根据应用场景的不同本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多WBAN共存网络协同组网方法，其特征在于，所述方法包括利用WiFi和蓝牙协同组网，并设置每个WBAN用户为一个节点，根据所述节点的工作状态选择合适的簇头，所述簇头内子节点使用蓝牙代替WiFi进行通信，并且所述节点间轮流当选所述簇头。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杜宸，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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