CN102119564B - 通过身体域网络介质访问控制协议使得能进行自适应频率捷变 - Google Patents

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Abstract

在身体域网络(BAN)中的自适应频率捷变是由介质访问控制协议通过自适应地探听在BAN中所利用的频带中的各信道而使能的。该方法包括:从信道的排位次序列表中选择要被扫描的锚信道(S520)；在为该锚信道所设置的停留时间的持续时间内，以预定义的探听时间间隔周期性地扫描锚信道(S535)；周期性地扫描在排位次序列表中在该锚信道之前的所有信道，其中每个在前的信道被扫描达不同的预定义的持续时间；检验是否在该锚信道或任何在前的信道上接收到消息(S570)；当在为该锚信道设置的停留时间的持续时间内没有接收到消息时，选择在排位次序列表中紧接地排在该锚信道之后的信道作为新的锚信道(S540,S545)；以及确定在其上接收到消息的信道为新的锚信道(S580)。

Description

通过身体域网络介质访问控制协议使得能进行自适应频率捷变
本申请要求在2008年8月11日提交的美国临时申请No. 61/087,754的权益。
本发明总的涉及在身体域网络（BAN）中利用的介质访问控制（MAC）协议，具体地，涉及用于通过这样的协议支持自适应频率捷变的技术。
身体域网络（BAN）主要被设计用于持久地监视和记录生命指征。如图1所示的示范性BAN包括典型地为传感器的多个从设备120，它们可以是可佩戴的或可以被植入到人身体中。从设备120监视生命体的参数和运动，并通过无线介质互相通信。从设备120可以把来自身体的数据传送到一个或更多个主设备130，数据可以从这里通过局域网（LAN）、广域网（WAN）、蜂窝网等等实时地转发到医院、诊所或其它地方。
在设计BAN时，重要因素之一是从设备120和/或主设备130的能量效率。通过使得接收者设备（即，接收数据的设备）在收听状态与睡眠状态之间最佳地进行工作循环，可以达到高效率的能量消耗。当设备既不传送也不接收数据时，设备的无线电被关断，由此减小设备的能量消耗。工作循环是通过介质访问控制(MAC)协议而被执行的，目的是使得空闲收听和串音（overhearing）时间、数据传输的碰撞和控制开销最小化，这最终导致功率节省。
MAC工作循环技术包括同步和异步模式。在异步模式，发送者设备（即，在介质上传送数据的设备）和收听者设备（即，收听介质的设备）具有独立的睡眠和醒来时间，由此不需要诸如信标那样的明显的同步机制。
前同步采样技术被广泛地使用于异步工作循环MAC协议，诸如WiseMAC、B-MAC和X-MAC等。WiseMAC在EI-Hoiydi等人的 “WiseMAC:An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks”中进一步描述, 该文发表在the Proceedings of the Ninth IEEE Symposium on Computers and Communication,（ISCC） 第244-251页, Alexandria, 埃及,2004年6月。B-MAC在Polastre等人的“Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Network”,ACM SenSys， 2004年11月中被描述，以及X-MAC协议发表在Buettner等人的“X-MAC:A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks”,ACM SenSys， 2006。
如图2所例示的，在前同步采样技术中，所有的设备周期性地收听介质达时间“TL”的短的持续时间,且如果介质是空闲的，则返回到睡眠状态达持续时间“TCI”。在两个接连的收听时间TL之间的时间TCI是检验间隔。时间间隔TCI和TL的组合是唤醒时间间隔。当发送者设备有数据要递送时，它传送唤醒（WUP）消息210，这个唤醒消息比接收者设备的检验时间间隔TCI要长。在前同步采样技术中，WUP消息210仅仅承载前同步，而不承载任何其它信息。当接收者设备醒来时，它侦听介质和检测WUP消息210。这迫使接收者设备保持醒着，直至数据被完全接收和/或介质再次变为空闲为止。
WUP消息210的长度必须比检验间隔TCI更长，以保证在传送实际数据时接收者设备是醒着的。如果接收者设备的检验间隔TCI是非常长的，则WUP消息传输可占用介质达持续很长的时间，由此阻止其它设备访问 该介质。
有几个被考虑用于BAN的频带，包括例如在美国的在401-406MHz的医疗设备无线电通信(MedRadio)服务。MedRadio频带打算被使用于非话音数据的传输，以支持牵涉到植入的和身体上佩戴的医疗设备的诊断和/或治疗应用。联邦通信委员会(FCC)已定义MedRadio规则，以保证有效的频谱共享以及减轻对于该频带的主要用户(例如，气象辅助、气象卫星、和地球勘探卫星服务)的有害干扰。
MedRadio服务的规定（provision）之一也要求外部编程器/控制发射机在发起通信会话之前执行先听后说(listen before talk，LBT)频率监视过程(即，监视它打算占用的一个或更多个信道)，以便选择适当的最小干扰信道来操作。
这个要求为使用自适应频率捷变(AFA)作准备。也就是，如果没有检测到高于阈值功率电平的信号，则该信道可被使用于通信会话；否则，控制器应当扫描所有的候选信道，且具有最低环境功率电平的信道可以被访问。因此，对需要AFA的MedRadio频带的使用排除了对能够进行仅仅单个信道操作的MAC协议的利用。这样的MAC协议的例子至少包括B-MAC、WiseMAC、X-MAC和IEEE 802.15.4。
所以，希望提供支持AFA的BAN MAC协议。
本发明的某些实施例包括用于自适应地探听(snoop)频带中的各信道的方法。该方法包括：从信道的排位次序列表中选择要被扫描的锚信道(anchor channel)；在为该锚信道所设置的停留(dwell)时间的持续时间内，以预定义的探听时间间隔周期性地扫描该锚信道；周期性地扫描在排位次序列表中在该锚信道之前的所有信道，其中每个在前的信道在不同的预定义的持续时间内被扫描；检验在该锚信道或任何在前的信道上是否接收到消息；当在为被扫描信道设置的停留时间的总和的持续时间内没有接收到消息时，选择在排位次序列表中紧接地排在该锚信道之后的信道作为新的锚信道；以及确定在其上接收到消息的信道为新的锚信道。
被认作为本发明的主题在说明书的结论处在权利要求中被具体地指出并被明确地要求保护。从结合附图作出的以下的详细说明中，本发明的上述的和其它的特征和优点将是明显的。
图1是身体域无线网的示意图。
图2是用于图示异步工作循环技术的操作的图。
图3是用于图示顺序探听技术的操作的图。
图4是用于图示按照本发明的实施例实现的自适应探听技术的操作的图。
图5是用于显示按照本发明的实施例的用于自适应地探听介质的方法的流程图。
重要的是要指出，本发明公开的实施例仅仅是这里的创新教导的许多有利的使用的例子。通常，在本申请的说明书中做出的叙述并不必然限制任何的各种不同的要求保护的发明。而且，某些叙述可以应用到某些创造性特征，但不应用于其它特征。通常，除非另外指明，否则不失一般性地，单数的单元可以是复数的，且反之亦然。在附图上，在几幅视图内同样的数字是指同样的部件。
按照本发明的某些实施例，提供了支持AFA的几种MAC工作循环技术。MedRadio规则规定发送者设备应当在新会话开始处撤出有噪声的信道，而切换到“安静”的信道。因此，需要在发送者设备与接收者设备之间的协调，以使得在切换信道的时候能够通信。所公开的技术在这些措施之下协调发送者和接收者设备对介质的访问。
通常，BAN设备的无线电部件能够在被划分成逻辑信道的频带范围内操作。按照本发明的某些实施例，属于相同BAN的设备保存它们打算占用的逻辑信道的排位次序列表。在一个实施例中，排位次序列表按优先次序(例如，第一位、第二位、第三位等等)列出逻辑信道，且所述列表跨越属于单个BAN的所有设备而共享。在一个实施例中，在通信协议堆栈中的较高层(例如，网络层或应用层)保存排位次序列表并把排位次序列表分发给网络中的设备。在设备启动时，使用缺省的排位次序列表，直至网络形成为止，然后信道的排位被实时更新。
第一位的信道是被认为最适合于进行对等设备(即，在对等连接中互相连接的设备)之间的通信的信道。如果第一位的信道变为有噪声的，则发送者设备切换到第二位的信道，以及如果第二位的信道不适合于通信，则进行到第三位的信道的切换。
通常，发送者设备更喜欢在排位最高的空闲信道上进行传送。如果发送者设备发现排位最高的信道是有噪声的(因此，是不可用的)，则设备评估排位次高的信道的状态，如此等等，直至检测到空闲的信道为止。应当指出，如果发送者设备发现第一位的信道是繁忙的，则设备可以等待并再次收听，以检验第一位的信道现在是否为空闲。在大多数情形下，在短的等待期之后，发送者设备可以发现第一位的信道是空闲的，于是设备可以访问第一位的信道。仅仅当第一位的信道繁忙达持续很久的时期时，发射机才试图访问第二位的信道。如果第一位和第二位的信道都繁忙达持续很长的预定义的持续时间，则设备试图访问第三位的信道，如此等等。
发送者设备动态地切换信道，由此接收者设备可能事先不知道进入消息将在哪个信道上到达。而且，接收者设备不能同时收听所有的逻辑信道。在BAN中的每个设备(或者从设备120，或者主设备130)典型地包括单个收发信机，它可以一次接收、发射或收听仅仅一个信道。另外，每个设备在活动状态与睡眠状态之间使它的收发信机进行工作循环以便节省能量，由此接收者设备可以收听一个信道或多个信道的时间是有限的。而且，介质在发送者端与接收者端处的状态可能是不同的。例如，在人身体外面的发送者设备可能发现一个信道是有噪声的，而同时，在身体里面的接收者设备可能发现同一个信道是空闲的。这可以是由于在穿过身体组织时严重的信号衰减。因此，接收机不可能确实地知道在发送者设备端处信道的状态。因为发送者设备动态地切换信道，所以接收者设备事先不知道进入消息将在哪个信道上到达。
接收进入消息的直截了当的方法是按照图3所例示的顺序探听技术周期性地扫描N个不同的信道。接收者设备以循环方式逐个地扫描所有的信道。扫描的目的是检测进入消息，如果有的话。如图3所示，接收者设备在时间T1扫描排位为1的信道(CH1)，在时间T2扫描排位为2的信道(CH2)，如此等等。一旦所有的信道都被扫描，设备可以睡眠一会儿，然后再次从排位为1的信道开始。在两个接连的信道扫描发起之间的时间被表示为“Ts”。这个技术的主要缺点在于，重复地扫描多个信道消耗了大量功率。
图4图示按照本发明的原理实施的自适应探听技术。典型地，发送者设备喜欢用排位较高的信道来通信，胜过用排位较低的信道。所以，消息在排位较高的信道上到达的或然率高于在排位较低的信道上到达的或然率。所以，比起排位较低的信道，接收者设备以更高的频率(更短的间隔)扫描排位较高的信道。只要接收者设备保持在排位较高的信道上接收到消息，它就不扫描排位较低的信道，由此节省能量。仅仅当在预定义的持续时间内在排位较高的信道上没有接收到消息时，接收者设备才开始扫描排位较低的信道，虽然是以较低的频率 (即，比起排位较高的信道以更长的间隔) 进行的。
在自适应探听技术中，按照信道在排位次序列表中的排位来扫描信道。被扫描的信道组被以第一位的信道初始化。只有当在预定义的持续时间内在被扫描的任何排位较高的信道上没有接收到消息时，这个信道组才逐渐扩展成包括排位较低的信道。一旦接收到消息，被扫描的信道组就被更新。
自适应探听技术定义按每个信道的两个不同的时期：探听间隔Tsi和停留期Di，其中‘i’是信道的排位(i=1,2,…,N)。应当指出，排位‘i’高于排位‘i+1’。Tsi和Di是可配置的参数。接收者设备以间隔Tsi周期性地扫描排位第i的信道。如果在Di的持续时间内在排位第i的信道上没有接收到消息(其中Di>=Tsi)，则接收者设备开始以间隔Tsi+1扫描排位第i+1的信道，而同时它继续以时间间隔Tsi扫描排位第i的信道。如果在Di+Di+1的持续时间内在排位第i的信道上没有接收到消息，而且在Di+1的持续时间内在排位第i+1的信道上也没有接收到消息(其中Di+1>=Tsi+1)，则接收者设备开始以间隔Tsi+2扫描排位第i+2的信道。在本发明的一个实施例中，Ts1<=Ts2<=Ts3<=…<=TsN。
如图4所示，对于D1的持续时间，每一个时间间隔Ts1在时间T1、T2、T3和T4处探听排位为1的信道(CH1)。在D1的结尾，对于D2的持续时间，接收者设备开始以时间间隔Ts2扫描排位为2的信道(CH2)，而同时继续扫描CH1。此后，在时间T7,接收者设备开始扫描排位为3的信道(CH3)。应当指出，接收者设备仅仅当在被扫描的信道上没有检测到活动性时，才切换信道。
应当意识到，本自适应探听技术使得被扫描的信道的数目最小化，由此显著地减小接收者设备的功耗。只要接收者设备在第一位的信道上周期性地接收到消息，接收者设备就仅仅探听第一位的信道。
图5显示用于描述按照本发明的实施例的、用于控制对介质的访问的方法的示范性和非限制性流程图500。该方法使能进行信道的自适应探听，以便支持AFA规定，AFA规定被认为用于如下的频带，其包括但不限于MedRadio和工业、科学与医疗(ISM)。
在S510，生成信道的排位次序列表，并把它分发给网络中的所有设备。在一个实施例中，所述列表是按照每个信道中的噪声电平生成的，其中具有最低噪声电平的信道是第一位的信道(即，排位第一)。一旦被创建，当一个或更多个信道中的噪声电平改变时，排位次序列表可以被动态地更新。更新的列表仅仅在它被成功地在整个网络分发后才是有效的。
在S515，定时器变量tsi和di(i=1,…,N,其中i表示信道排位索引，以及N是在排位次序列表中的信道的数目)被初始化为零。在S520，信道排位索引(i)和要扫描的信道数目(k)被设置为1。也就是，仅仅在排位次序列表中列出的第一位的信道被选择为当前的要扫描的信道。在S530，检验定时器的值tsi是否等于或大于排位为i的信道的探听时间间隔Tsi，如果是的话，则执行过程从S535继续进行，在S535，tsi被设置为0，并扫描排位为‘i’的信道；否则，在S540，检验索引i和k的值是否相等，定时器变量di的值是否等于或大于排位为i的信道的停留时间(Di)，以及索引k的值是否小于在列表中的信道的总数(N)。如果S540导致“是”的回答，则在S545，定时器变量di+1被设置为0，以及索引k被递增1。如果S540输出“否”的回答，则在S550，索引i被设置为从索引i除以索引k得出的余数的值。此后，索引“i”被递增1(S560)。
在S570，检验是否在排位为‘i’的信道上接收到消息，如果是的话，则在S580，变量tsj(对于‘j’，使得i<j<=N)被设置为0，变量dj(对于‘j’，使得i<j<=N)被设置为0，以及索引‘k’的值被设置为索引‘i’的值。也就是，S580选择在其上接收到消息的信道为首先被扫描的，并且还复位各个定时器。此后，过程从S550继续进行。如果S570导致“否”的回答，则过程从S540继续进行。
本发明的原理可以被实施为硬件、固件、软件或它们的任意组合。而且，软件优选地被实施为在程序存储单元或计算机可读的介质上有形地体现的应用程序。该应用程序可以被上载到包括任何适当的体系结构的机器并由该机器执行。优选地，该机器被实施在计算机平台上，该计算机平台具有诸如一个或更多个中央处理单元(“CPU”)、存储器和输入/输出接口那样的硬件。该计算机平台还可包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种处理过程和功能可以是能由CPU执行的微指令代码的组成部分、或应用程序的组成部分、或它们的任意组合，而不管这样的计算机或处理器是否被明显地显示。另外，各种其它外围单元，诸如附加数据存储单元和打印单元，可被连接到该计算机平台。
这里详述的所有的例子和条件语言打算用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和本发明人对于促进本技术所贡献的构思，并且要被解释为不限制于这样的明确详述的例子和条件。而且，这里详述本发明的原理、方面和实施例以及它们的特定例子的所有叙述打算包括它们的结构的和功能的等同物。另外，这样的等同打算包括当前已知的等同以及在将来逐渐形成的等同，即被逐渐形成来执行相同的功能而与结构无关的单元。

Claims (11)

1.一种用于自适应地探听频带中的各信道的方法(500)，包括:
从信道的排位次序列表中选择要被扫描的锚信道(S520)；
在对于锚信道所设置的停留时间的持续时间内，以预定义的探听时间间隔周期性地扫描该锚信道(S535)；
周期性地扫描在排位次序列表中在该锚信道之前的所有信道，其中每个在前的信道被扫描达不同的预定义的持续时间；
检验是否在该锚信道或任何在前的信道上接收到消息(S570)；
当在为被扫描信道设置的停留时间的总和的持续时间内没有接收到消息时，选择在排位次序列表中紧接地排在该锚信道之后的信道作为新的锚信道(S545,S560)并继续扫描该新的锚信道和它的在前的信道；以及
确定在其上接收到消息的信道为新的锚信道(S580)。
2.权利要求1的方法，其中选择在排位次序列表中排在该锚信道之后的信道作为新的锚信道还包括：继续扫描该新的锚信道和它的在前的信道，直至在所扫描的信道之一上检测到消息为止，或直至在排位次序列表中的所有信道都已被选择为止(S540，S550)。
3.权利要求1的方法，其中锚信道的选择从在排位次序列表中排位最高的信道开始。
4.权利要求1的方法，还包括生成排位次序列表以包括按照噪声电平排位的信道列表(S510)。
5.权利要求4的方法，其中具有最低噪声电平的信道在排位次序列表中被排位第一。
6.权利要求4的方法，其中当至少一个信道的噪声电平发生改变时，排位次序列表被动态地更新。
7.权利要求4的方法，其中每个信道被设置以停留时间和探听时间间隔。
8.权利要求7的方法，其中信道的探听时间间隔定义用以扫描信道的频率。
9.权利要求7的方法，其中排位第一的信道的探听时间间隔不大于排位第二的信道的探听时间间隔，以及排位第二的信道的探听时间间隔不大于排位第三的信道的探听时间间隔。
10.权利要求1的方法，其中所述频带是在身体域网络(BAN)中所利用的医疗设备无线电通信(MedRadio)服务频带。
11.一种用于自适应地探听频带中的各信道的设备，包括：
用于从信道的排位次序列表中选择要被扫描的锚信道(S520)的装置；
用于在对于锚信道所设置的停留时间的持续时间内，以预定义的探听时间间隔周期性地扫描该锚信道(S535) 的装置；
用于周期性地扫描在排位次序列表中在该锚信道之前的所有信道的装置，其中每个在前的信道被扫描达不同的预定义的持续时间；
用于检验是否在该锚信道或任何在前的信道上接收到消息(S570)的装置；
用于当在为被扫描信道设置的停留时间的总和的持续时间内没有接收到消息时，选择在排位次序列表中紧接地排在该锚信道之后的信道作为新的锚信道(S545,S560)并继续扫描该新的锚信道和它的在前的信道的装置；以及
用于确定在其上接收到消息的信道为新的锚信道(S580)的装置。
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