CN102119556B - 用于在身体区域网络中在同步与异步操作模式之间动态切换的技术 - Google Patents
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Abstract
用于在身体区域网络（BAN）中在同步与异步操作模式之间动态切换的技术。一个实施例包括一种用于在BAN的介质访问控制（MAC）中从异步模式向同步模式转变的方法（400）。接收到切换模式命令（S410）的设备进行以下动作：将定时器设置成在切换模式命令中指定的时间段（S430）；向BAN中的其它设备传播接收的切换模式命令（S440）；在时间段到期时调谐到从为同步模式而保留的信道集合中选择的信道（S460）；并且将设备初始化成在同步操作模式中作为主控设备或者从属设备来操作（S470）。另一实施例包括一种用于在身体区域网络（BAN）的MAC中从同步模式向异步模式转变的方法（300）。
Description
本申请要求于8月11日提交的第61/087,751号美国临时申请的优先权。
技术领域
本发明主要地涉及用于在身体区域网络（BAN）中切换操作模式的技术。
背景技术
身体区域网络（BAN）是主要针对生命迹象的持久监视和记录而设计的。图1中所示示例性BAN包括多个从属设备120，这些从属设备通常为可以佩戴或者植入到人体中的传感器。从属设备120监视生命身体参数和移动并且通过无线介质相互通信。从属设备120可以从身体向一个或者多个主控设备130发送数据，该数据可以从该主控设备通过局域网（LAN）、广域网（WAN）、蜂窝网等实时转发到医院、诊所或者别处。
在设计BAN时的重要因素之一为从属设备120和/或主控设备130的能量效率。可以通过在监听状态与休眠状态之间最优地工作循环（duty cycling）接收方设备（即接收数据的设备）来实现高效的能量消耗。当设备既不发送也不接收数据时关断设备的无线电、由此减少设备的能量消耗。可以按照以使空闲监听、窃听时间、数据发送的冲突最少并且控制开销（这最终实现省电）为目标的介质访问控制（MAC）来进行工作循环。
在相关领域中公开了若干同步和异步MAC工作循环技术。同步工作循环包括定期通报休眠和唤醒时间表并且同步接收方设备的醒来时间。这需要显式同步机制（如信标）以同步时钟并且通报时间表。诸如SMAC、TMAC和DSMAC等MAC协议运用显式同步机制以同步它们的活跃时间。在Wei Ye、John Heidemann和Deborah Estrin的“Medium Access Control with Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks（IEEE/ACM Transactions on Networking、第12卷、第3期、2004年6月、第493-506页）”公开了SMAC协议。在Tijs van Dam和Keon Langendoen的“An Adaptive EnergyEfficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks”（Proceedings of ACM SenSys、2003年11月、洛杉矶）中描述了TMAC协议。在Peng Lin、Chunming Qiao和Xin Wang的“Medium Access Control With A Dynamic Duty Cycle For Sensor Networks”（Proceedings of the IEEE WCNC 2004、第1534-1539页）中讨论了DSMAC。
在同步工作循环MAC协议中同步设备的活跃时间，其中数据的广播和多播既简易又高效。这一技术也适合于介质保留、移动性支持和共存支持。因而同步机制固有地适合于保障服务质量（QoS）支持。然而定期同步引起高开销，这增加能量消耗。此外，发送方设备（即发送数据的设备）通常试着在全局同步的活跃时间期间发送它们的分组，从而冲突概率增加。如果潜在发送方设备失去争用，则下一机会在下一活跃时间期间到来。另外，在多跳通信中，在转发设备（在源与目的地设备之间的路径上的设备）接收数据分组之后，它必须在尝试发送该分组之前等待直至下一活跃时间到来。因此，在同步工作循环技术中的每跳的延时相对高。
在异步工作循环期间，发送方设备和监听方设备（即监听介质的设备）具有独立的休眠和醒来时间，其中无需显式同步机制。前同步码采样技术广泛使用于异步工作循环MAC协议如WiseMAC、B-MAC和X-MAC中。在EI-Hoiydi等人的“WiseMAC: An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks”（发表于Proceedings of the Ninth IEEE Symposium on Computers and Communication、ISCC’04、第244-251页、埃及亚历山大、2004年6月）中进一步描述了WiseMAC。在Polastre等人的“Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks”中描述了B-MAC，并且在Buettner等人的“X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks”(ACM SenSys 2006)中发表了X-MAC协议。
如图2中所示，在前同步码采样技术中，所有设备在时间为“TL”的短暂持续时间期间定期监听介质、然后如果介质空闲则在时间为“TCI”的持续时间期间返回到休眠状态。时间TCI——在两个相继监听时间TL之间——为校验区间。时间区间TCI和TL的组合为唤醒时间区间。当发送方设备有数据要递送时，则它发送比接收方设备的校验时间区间TCI更长的唤醒（WUP）消息210。在前同步码采样技术中，WUP消息210仅携带前同步码而不携带任何其它信息。当接收方设备唤醒时，它感测介质并且检测WUP消息210。这迫使接收方设备保持醒来直至数据被完全接收和/或介质再次变成空闲。
WUP消息210的长度必须比校验区间TCI更长以保证接收方设备在实际数据被发送时醒来。如果接收方设备的校验区间TCI很长，则WUP消息发送可能很长时间地占用介质、因此妨碍其它设备访问介质。
异步工作循环的主要优点在于它的简易性，因为无同步开销，这可以获得提高的能量效率。设备可以独立更新它们的唤醒时间表。在低工作循环网络中，在时间上分布设备的侦听时间区间，这减少冲突和延时概率。侦听时间区间为如下最少持续时间：在该持续时间期间所有设备必须在它们唤醒之后监听介质。然而广播/多播在异步模式中效率低，此外也不能支持介质保留。因而可以在这样的操作模式中提供和确保的QoS有限。
如根据上述讨论可以认识到的那样，异步和同步工作循环技术在某些场合中独立实现最佳性能。因此将希望提供一种可以通过如应用认为适合的那样在这些不同技术之间动态切换来提高BAN性能的解决方案。
发明内容
本发明的某些实施例包括一种用于在身体区域网络（BAN）的介质访问控制（MAC）中从同步模式向异步模式转变的方法。该方法包括各设备接收引起以下操作的切换模式命令：将定时器设置成在切换模式命令中指定的时间段；在时间段到期时将设备调谐到从为异步模式而保留的信道集合中选择的信道；并且使设备通过保留的信道在异步模式中操作。
本发明的某些实施例还包括一种用于在身体区域网络（BAN）的介质访问控制（MAC）中从异步模式向同步模式转变的方法。该方法包括各设备接收引起以下操作的切换模式命令：将定时器设置成在切换模式命令中指定的时间段；向BAN中的其它设备传播接收的切换模式命令；在时间段到期时调谐到从为异步模式而保留的信道集合中选择的信道；并且将设备初始化成在同步操作模式中作为主控设备或者从属设备来操作。
附图说明
作为说明书的结论在权利要求书中特别指出和清楚要求保护视为本发明的主题内容。根据结合附图进行的下文具体描述将清楚本发明的前述和其它特征及优点。
图1是身体区域无线网络的示意图。
图2是用于图示异步工作循环技术的操作的图。
图3是用于描述根据本发明一个实施例实施的用于从同步模式向异步模式转变的方法的流程图。
图4是用于描述根据本发明一个实施例实施的用于从异步模式向同步模式转变的方法的流程图。
具体实施方式
重要的是注意本发明公开的实施例仅为这里的创造性教导的诸多有利运用的例子。一般而言，在本申请的说明书中进行的陈述并非必然限制各种要求保护的任何发明。另外，一些陈述可以适用于一些发明特征、但是并不适用于其它发明特征。一般而言，除非另有指明，单数元件可以是复数并且反之亦然而不失一般性。在附图中，类似标号在若干附图内指代类似部分。
MAC协议利用的异步和同步工作循环技术也称为BAN的操作模式。因此，同步和异步MAC工作循环技术将分别称为同步和异步模式。
在BAN中执行的应用可以根据应用的要求在同步与异步模式之间切换以受益于各模式的优点。这在BAN中是重要的，因为这样的网络旨在于支持具有不同要求集合的广泛应用。例如设备可以在有保障的QoS为应用的要求时向同步模式切换、然后切换回到异步模式进行超低功率操作。考虑如下典型BAN场景，其中可佩戴的主控设备管理少数植入的从属设备。当患者进行淋浴时，主控设备可能未在与植入的从属设备的直接通信范围中。在这一场景中，异步模式可以用来提高植入的设备之间的基本通信能力。异步模式也可以用作唤醒或者启动机制。一旦设备醒来并且形成网络，设备可以向同步模式切换。作为另一例子，设备可以在主控设备电池为临界低或者主控设备消失并且无其它设备可以承担主控角色时向异步模式切换。
如根据本发明的某些实施例公开的用于在模式之间动态切换的技术按照为调度和协调模式转变提供挂机（hook）的MAC协议来进行，其中用于触发模式切换的判决由通信协议的更高层（例如应用层）进行。如下文公开的那样，从一个模式向另一模式的切换经常需要向不同的一个或者多个信道调谐无线电以便防止在同步和异步模式中操作的设备共存于相同信道上。出于这一目的，将频率频带或者信道分组成两个集合：一个集合限于在同步模式中操作的设备，而另一集合限于在异步模式中操作的设备。这两个集合互不相交。
图3示出了用于描述根据本发明一个实施例实施的用于从同步模式向异步模式转变的方法的示例而非限制流程图300。BAN通常包括两类设备：主控和从属。在一个优选实施例中，主控设备使用本地信标来与它的从属设备集合通信，而主控设备可以使用全局信标来相互通信。
在S310，设备从对等设备或者从更高层接收切换模式命令。切换模式命令可以例如包括新模式变成有效的时间、应当用于异步操作模式的信道（频率频带）和应当切换模式的设备组或者子组的标识。在一个实施例中，可以指定时间值作为距应当执行模式切换的当前时间的偏移。
在S320，接收命令的设备检查它是否属于在切换模式命令中标识的组，并且如果这样则继续执行S330；否则结束执行，因为无需设备改变它的模式。也就是说，不属于在切换模式命令中标识的组的设备在相同信道上继续它们的同步操作模式。
在S330，接收切换模式命令并且打算向异步模式切换的各设备将定时器设置成在切换模式命令中指定的时间量。延迟模式切换的目的在于允许有充分时间让切换模式命令在整个网络内传播并且预备模式切换。随着命令传播而更新在切换模式命令中指定的时间偏移值以反映新模式变成有效的确切时间。当指定的时间流逝时，接收命令并且打算向异步模式切换的设备同时向异步操作模式切换，由此使服务中断最少。
可选地，在S340，主控设备在全局信标中广播或者多播切换模式命令以与对等主控设备（即在对等连接中相互连接的主控设备）协调操作模式的改变。从对等设备或者更高层接收切换模式命令并且打算向异步模式切换的各主控设备可以经由在它的本地信标中发送的切换模式命令向它的从属设备通知即将来临的模式改变。
在S350检查定时器测量的时间段是否到期，并且如果是这样则继续执行S360；否则，在S350等待执行。在S360每个设备被调谐到在切换模式命令中标识的信道（即在异步信道集合中的信道之一），并且随后在S370，设备开始在异步模式中进行它们的例行任务。
根据本发明的一个实施例，这些任务包括：当BAN的无线介质自由时从发送方设备向一个或者多个目标接收方设备发送唤醒（WUP）消息；确定在发送方设备的侦测时间区间期间至少一个目标接收方设备是否以READY消息进行响应；当未接收READY消息时，确定发送方设备发送的WUP消息的数目是否超过预定义阈值；并且当WUP消息数目超过预定义阈值时将发送方设备设置成在TURN模式中操作。在标题为“Duty Cycling Techniques in Medium Access Control (MAC) Protocols for Body Area Networks”的共同未决申请中更具体描述了这一操作模式。侦测时间区间是在发送WUP消息之后的如下固定持续时间：在该持续时间期间发送方设备监听介质。
应当注意在BAN的操作期间一个或者多个从属设备可能未从它们的主控接收一个或者多个切换模式命令和/或一个或者多个主控设备可能静默消失。这可以例如归因于信道上的干扰/冲突或者主控设备的故障。为了处置这样的情形，在预定义时间段期间尚未从它们的主控设备接收信标的从属设备扫描信道以检测来自它们可以加入的另一主控设备的信标。如果从属设备在预定义时间段内未发现它们可以加入的主控设备，则从属设备推断主控设备已经消失并且它们向异步操作模式转变。在这一情况下，所有从属设备向默认（预先安排的）信道转变以免模糊。
图4示出了用于描述根据本发明一个实施例实施的用于从异步模式向同步模式转变的方法的示例而非限制流程图400。
在S410，设备从对等设备或者从更高层（例如应用层）接收切换模式命令。该命令可以包括新模式变成有效的将来时间、为同步操作模式而标识的信道（在为同步操作模式而保留的信道之中）和切换模式命令去往的设备组的标识。在本发明的一个实施例中，可以指定时间值作为距应当进行模式切换的当前时间的时间偏移。
在S420，接收命令的设备检查它是否属于在切换模式命令中标识的组，并且如果这样则继续执行S430；否则，终止执行，因为无需设备改变操作模式。也就是说，不属于在切换模式命令中标识的组的设备在相同信道上继续它们在异步模式中的操作。
在S430，打算向同步模式切换的各设备将定时器设置成在接收的切换模式命令中指定的时间量。延迟切换模式的目的在于允许充分时间让切换模式命令在整个网络内传播并且预备模式切换。更新在传出切换模式命令中指定的时间偏移值以反映将要执行模式切换的确切时间。当指定的时间已经流逝时，打算切换它们的模式的设备同时向同步操作模式切换、由此使服务中断最少。
在S440接收切换模式命令的设备可以广播或者多播切换模式命令以与它的对等设备（即在点对点连接中相互连接的设备）协调操作模式的改变。在S450检查定时器测量的时间是否已经到期，并且如果这样则继续执行S460；否则，在S450等待执行。
在S460，将准备好切换模式的各设备调谐到在切换模式命令中标识的信道（即在同步模式信道集合中的信道之一）。在S470将设备初始化成它们如在MAC协议的同步操作模式中实施的预定义角色（例如主控或者从属）。在S480，各主控设备扫描新信道以确定信道是否由其它主控设备占用。也就是说，各转变主控设备在现在调谐到的信道中检查其它全局信标。在S490检查信道是否由其它主控设备占用，并且如果是这样，则在S492，转变主控设备加入现有信标组并且开始发送它们的全局和本地信标；否则，信道空缺，并且在S494，转变主控设备开始新的一轮时间并且发送它的全局信标。转变的主控设备随后将发现占用的信道并且在S492加入第一主控。
在本发明的一个优选实施例中，将对介质的访问划分成固定和重复的多轮持续时间，其中一轮时间是如下数据结构：该数据结构被设计成包括预定义数目的超帧，各超帧包括固定数目的时间隙。
应当注意当从属设备切换模式时，它扫描信道以检测从属设备可以加入的主控设备的本地信标。一旦检测到这样的主控设备，从属设备加入它的主控设备并且继续跟踪它的本地信标。
如上文陈述的那样，在BAN的操作期间，一个或者多个设备可能由于信道上的消息冲突或者干扰而未接收切换模式命令，其中这些设备将不向同步模式切换。为了防止这一故障，主控设备验证所有它的邻居设备是否已经向同步模式切换。如果一个或者多个邻居设备尚未转变，则主控设备在它的空闲时间期间切换回到异步模式（在空闲时间的持续时间期间）以重新广播或者重新多播切换模式命令。
本发明的原理可以实施为硬件、固件、软件或者其任何组合。另外，软件优选地实施为在程序存储单元或者计算机可读介质上有形实施的应用程序。应用程序可以更新到包括任何适当架构的机器并且由该机器执行。优选地，机器实施于具有硬件（比如一个或者多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口）的计算机平台上。计算机平台也可以包括操作系统和微指令码。这里描述的各种过程和功能可以是可以由CPU执行的微指令码的部分或者应用程序的部分或者其任何组合、无论是否显式示出这样的计算机或者处理器。此外，各种其它外围单元可以连接到计算机平台，比如附加数据存储单元和打印单元。
这里记载的所有例子和条件语言旨在于教导目的以帮助阅读者理解本发明的原理和发明人贡献的概念以促进本领域并且理解为不限于这样具体记载的例子和条件。另外，这里记载本发明的原理、方面和实施例及其具体例子的所有陈述旨在于涵盖其结构和功能上的等同物。此外旨在于这样的等同物包括目前已知的等同物以及将来开发的等同物、即开发的进行相同功能而无论结构如何的任何元件。
Claims (15)
1.一种用于在接收到切换模式命令（S310）时在身体区域网络（BAN）的介质访问控制（MAC）中从同步模式向异步模式转变的方法（300），包括：
将定时器设置成在用于从所述同步模式向所述异步模式切换的所述切换模式命令中指定的时间段（S330）；
在所述时间段到期时将设备调谐到从为所述异步模式而在所述BAN中保留的信道集合中选择的信道（S360）；并且
使所述设备通过所述保留的信道在所述异步模式中操作（S370），其中所述设备在休眠与唤醒时间之间异步工作循环。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述设备接收所述切换模式命令（S310）并且向所述BAN中的其它设备传播所接收的切换模式命令（S340）。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述切换模式命令至少包括将要进行模式切换的时间、用于所述异步操作模式的信道和应当切换它们的模式的设备组的标识。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述切换模式命令是从对等设备或者应用层发送的。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括接收到所述切换模式命令的所述设备检查所述设备是否属于在所述切换模式命令中指定的所述设备组（S320）。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括当在所述异步模式中操作的每个从属设备在预定义持续时间内不能与主控设备通信时，将所述从属设备调谐到从所述异步模式信道集合中选择的预先安排的信道。
7.一种用于在接收到切换模式命令（S310）时在身体区域网络（BAN）的介质访问控制（MAC）中从同步模式向异步模式转变的设备，包括：
用于将定时器设置成在用于从所述同步模式向所述异步模式切换的所述切换模式命令中指定的时间段（S330）的装置；
用于在所述时间段到期时将设备调谐到从为所述异步模式而在所述BAN中保留的信道集合中选择的信道（S360）的装置；并且
用于使所述设备通过所述保留的信道在所述异步模式中操作（S370）的装置，其中所述设备在休眠与唤醒时间之间异步工作循环。
8.一种用于在接收到切换模式命令（S410）时在身体区域网络（BAN）的介质访问控制（MAC）中从异步模式向同步模式转变的方法（400），包括：
将定时器设置成在用于从所述异步模式向所述同步模式切换的所述切换模式命令中指定的时间段（S430）；
向所述BAN中的其它设备传播所接收的切换模式命令（S440）；
在所述时间段到期时调谐到从为所述同步模式而在所述BAN中保留的信道集合中选择的信道（S460）；并且
将设备初始化成在所述同步模式中作为主控设备或者从属设备来操作（S470），其中所述设备在休眠与唤醒时间之间同步工作循环。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述切换模式命令至少包括将要进行模式切换的时间、用于所述同步模式的信道和应当切换它们的模式的设备组的标识。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述切换模式命令是从对等设备或者应用层发送的。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括接收到所述切换模式命令的所述设备检查所述设备是否属于在所述切换模式命令中指定的所述设备组（S420）。
12.根据权利要求8所述的方法，其中初始化为主控设备的每个设备还进行：
扫描为所述同步模式而保留的信道以至少检测由至少一个其它主控设备发送的全局信标（S480）；
当所述信道由至少一个其它主控设备占用时加入所述至少一个其它主控设备的现有信标组（S492）；并且
当所述信道未由所述至少一个其它主控设备占用时，切换到所述同步模式的所述主控设备在所述信道上发送全局信标（S494）。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括：当将各设备初始化为从属设备时，扫描为所述同步模式而保留的信道以至少检测由至少一个主控设备发送的本地信标；并且当在所述信道上检测到本地信标时加入所述至少一个主控设备。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：主控设备检查所有它的相应邻居设备是否已经切换到同步模式；并且当至少一个邻居设备尚未切换到所述同步模式时，在空闲时间期间切换回到所述异步模式以从所述主控设备向它的相应邻居设备发送所述切换模式命令。
15.一种用于在接收到切换模式命令（S410）时在身体区域网络（BAN）的介质访问控制（MAC）中从异步模式向同步模式转变的设备，包括：
用于将定时器设置成在用于从所述异步模式向所述同步模式切换的所述切换模式命令中指定的时间段（S430）的装置；
用于向所述BAN中的其它设备传播所接收的切换模式命令（S440）的装置；
用于在所述时间段到期时调谐到从为所述同步模式而在所述BAN中保留的信道集合中选择的信道（S460）的装置；并且
用于将设备初始化成在所述同步模式中作为主控设备或者从属设备来操作（S470）的装置，其中所述设备在休眠与唤醒时间之间同步工作循环。
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