CN102123515A - 无线体域网中基于超帧的高效媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线体域网中基于超帧的高效媒体接入控制方法，主要解决IEEE 802.15.4协议在无线体域网中，存在无法区分业务优先级和非竞争期时隙浪费的问题。其实现步骤是：在竞争期，采用基于业务优先级的时隙ALOHA竞争机制，将竞争期设置成高优先级业务专用时隙H、高优先级业务备选时隙h和普通时隙三种时隙，普通节点根据当前超帧竞争期中高优先级业务的数量，采用三种不同的竞争机制；在非竞争期，采用微时隙的机制，使保证时隙GTS业务的分配和利用以微时隙为单位进行，实现时隙的有效利用。本发明与IEEE 802.15.4协议相比，既能保证高优先级业务以更高成功概率进行传输，又能有效提高非竞争期时隙的利用率，可适用于无线体域网。

Description

无线体域网中基于超帧的高效媒体接入控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及媒体接入控制方法，具体地说是一种用于无线体域网中的媒体接入控制方法，该方法在保证分组成功地接入信道的前提下，最大限度地保证高优先级业务的成功传输和时隙的有效利用。

背景技术

无线体域网WBAN，是以人体为中心，由分布在人身体上、衣物上、甚至人身体内部的各个节点和个人终端等组成的通信网络。通过WBAN，人可以与其身上携带的个人电子设备如个人数字助理PDA、手机等进行通信和数据同步等。WBAN和其它数据通信网络，如无线/有线接入网络、移动通信网络等共同构成整个通信网络的一部分。WBAN可以与网络中的任何终端如手机、电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等进行通信。WBAN将无线传感器节点植入体内或体表，使人体成为通信网络的一部分，从而真正实现网络的泛在化。利用无线医疗传感器可以进行持续的、远程的医疗监控，同时又不影响监控对象的正常活动，极大地方便了人们的生活。

由于网络设备分布在人体周围或体内，无线体域网最基本的和最主要的应用是医疗应用。无线传感器被佩戴在人体上，进行医学数据的采集和处理，然后传送到数据汇聚中心，最终传送到医疗监控中心。无线体域网的应用，可以在不影响人们正常活动的情况下进行，把家庭医疗监控变得更人性化，也更便捷快速。与传统的无线传感器网络中业务类型一般比较单一的情况不同，无线体域网中的业务种类有很多，一个无线体域网可以包含多种医学传感器，网络中会有多种业务共存。例如，一个无线体域网具有的传感器可以监测的内容有：脑电图EEG，用于监测大脑电磁活动；心电图ECG，用于监测心脏活动；肌电图EMG，用于监测肌肉活动；胶囊式内窥镜，用于检测胃、肠道病变；起搏器，用于心脏医疗；呼吸监控，用于监测呼吸系统，也可以具有一些简单的监测如体温、心率、血氧、血压、葡萄糖等。

如图1所示，针对无线体域网的不同应用，将其所有业务分为三类：普通业务，按需业务，紧急业务。普通业务是指协调点和节点之间的日常业务；按需业务是指由协调点发起的业务，如要求节点告知所需的数据；紧急业务是指紧急情况下的业务，如生理特征有关的告警信息，一般为突发业务。从优先级角度看，紧急业务是高优先级业务，而其它业务一般为低优先级业务，因此无线体域网中的协议设计应该基于业务优先级进行考虑。特别是媒体接入控制MAC协议设计，为保证不同业务的服务质量，应对不同业务予以差分对待。而另一方面，由于无线体域网的传感器节点应用于体内或体表，体内和体表组织对电磁波的吸收作用不容忽视，特别是在物理层采用的是超宽带技术的情况下，低信噪比以及人体活动影响载波侦听，使得无法进行可靠的载波侦听，由此造成隐藏终端或侦听错误。例如，在无线传感器节点植入体内的无线体域网中，节点载波侦听的有效距离仅为250mm，显然这对无线体域网而言是远远不够的。基于以上的考虑，传统的载波侦听冲突避免CSMA/CA竞争机制并不适用。总体而言，对无线体域网的研究仍在进行中，距离大规模的应用还有很大差距，加上WBAN中业务种类复杂，随时可能有突发业务的产生，而且周期性的业务其发送周期也各不相同，所以在技术上还需要战胜一系列的挑战。

无线体域网是一个新的应用领域，对它的研究也必将从一个网络系统的整体出发，进行全面系统的研究。国际上关于WBAN的研究相继启动，并获得了一些基本成果。这些研究包括了物理信道、MAC接入控制、路由协议、数据融合、天线设计及硬件实现等方面。IEEE 802标准委员会是致力于在无线通信领域推进国际标准的国际标准化组织，其15工作组IEEE 802.15集中在无线个域网WPAN方面。该工作组已制订出多个无线标准，比如IEEE 802.15.1，也被称为Bluetooth，以及IEEE 802.15.4，定义的是低速无线个域网标准，用于Zigbee设备，IEEE 802.15.4a是对IEEE 802.15.4的物理层的补充，使用的是超宽带UWB技术等。为了协调来自医疗和健康护理团体的强烈愿望和ICT工业界，IEEE 802.15工作组正式建立了第6任务组TG6，致力于WBAN的标准化工作。

针对无线体域网中业务的复杂性，从媒体接入控制协议的角度看，Bluetooth和IEEE 802.11对于WBAN的应用都显得效率低下，而普通无线传感器网络WSN也并不适合这些特殊的着重面向生物医学应用方面的WBAN。作为低功耗低速率近距离无线通信的世界标准，IEEE 802.15.4相当接近WBAN的设计要求，鉴于IEEE 802.15.4协议简单，适应于运算能力及电池容量都非常受限的WBAN节点，可以作为无线体域网实现技术的一种备选方案。

IEEE 802.15.4是用于低速无线个域网的物理层和媒体接入控制层的规范，旨在为个人或者家庭范围内的不同设备之间的低速互联提供统一的标准。该标准将网络中所有无线设备从功能上划分成三类节点，即：网络协调点、协调点和普通节点，其中网络协调点为整个网络的主控节点，并且每个IEEE 802.15.4网络只能有一个网络协调点，协调点通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能，普通节点只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。全功能设备可以充当网络协调点、协调点或普通节点，然而精简功能设备只能充当普通节点。

该IEEE 802.15.4标准支持星型网和对等网两种基本的网络拓扑结构，无论采用哪类网络拓扑结构，网络均可以采用信标使能模式或无信标使能模式。如果网络当中存在周期性发送信标的节点，则称该网络为信标使能网络，否则称其为无信标使能网络。无信标使能网络没有周期性发送信标的节点，但普通节点仍然可以向其协调点发出信标请求命令，此时协调点以单播的形式向该普通节点发送信标。该标准共定义了四种MAC帧结构，即信标帧、数据帧、MAC命令帧和应答帧。其中，信标帧能够实现协调点与周围节点间的同步并对超帧结构进行相应的描述，同时普通节点可以通过信标帧识别各个网络。在该标准中，数据有三种不同的传输模式，即普通节点到协调点、协调点到普通节点以及对等节点间的业务传输，而根据不同的业务处理方式，节点间通信可以分成三类，即直接传输、间接传输和保证时隙GTS中的传输。

在信标使能模式中，IEEE 802.15.4采用的超帧结构如图2所示。超帧的结构由两个参数确定，分别为BO和SO。BO决定了协调点两次发送信标帧的时间间隔BI，BO和BI之间的关系如下：

BI＝aBaseSuperFrameDuration×2^BO  0≤BO≤14

其中，aBaseSuperFrameDuration是SO为0时一个超帧的符号数。如果BO＝15，协调点不发送信标，也不存在超帧结构，即非信标使能模式。另一个MAC PIB属性SO决定了超帧激活期的长度，该长度包含了信标帧宽度。SO和超帧激活期持续时间SD的关系如下：

SD＝aBaseSuperFrameDuration×2^SO  0≤SO≤BO≤14

该超帧结构将时间划分成等间隔的周期，该周期由协调点发送的信标帧界定，并且通常由激活期Active和非激活期Inactive两部分构成。节点在激活期进行业务的交互，在非激活期则转为低功耗模式。激活期通常分为16个等长的超帧时隙，信标必须在超帧第一个时隙即0时隙的起始时刻发送。超帧的竞争期CAP紧接信标帧，并可延续到整个激活期结束。超帧的激活期划分为三个阶段：信标发送阶段、竞争期CAP和非竞争期CFP。如果节点有对实时业务的需求，可向网络协调点申请保证时隙GTS，每个保证时隙可以占据若干个超帧时隙，多个保证时隙形成非竞争期CFP，非竞争期将紧接竞争期，并且一直延续到激活期结束，网络协调点最多可以分配7个保证时隙。节点在竞争期中的通信采用时隙载波侦听冲突避免slotted CSMA/CA的机制接入信道，并且所有基于竞争的业务在CFP开始前都会结束。而在非竞争期，协调点根据上一个超帧竞争期中节点GTS请求申请的情况，将非竞争期划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时隙组成，时隙的数目在节点申请GTS时指定。如果申请成功，节点就拥有了所指定数目的时隙。

在IEEE 802.15.4协议中，在GTS内传输数据不需要使用CSMA/CA机制访问信道，GTS分配的实现过程如图3所示。普通节点有实时业务的需求时，该节点会在当前超帧的CAP时期向协调点发送GTS请求，在收到GTS请求命令时，协调点进行可选的应答确认ACK，然后检查在当前的超帧中是否有可供分配的GTS时隙资源，在资源足够的条件下，协调点将该节点的GTS分配信息放入下一个超帧的信标中进行广播，以通知全部发送GTS请求的普通节点。请求GTS时隙的普通节点在GTS请求发送成功后，处于等待状态，直到收到含有其自身GTS分配信息的信标，随后在该信标所在超帧的相应GTS时隙中开始传输数据。

在IEEE 802.15.4协议中，信标帧在GTS数据传输和组网中有非常重要的作用，详细信标帧结构如图4所示。其中的大部分内容，包括帧控制域、序列号、帧校验序列FCS、地址域、超帧说明域，用来说明超帧的相关参数，如超帧级数、信标级数等。超帧有效负荷对全网节点都是必须的，任意节点在收到信标帧后都需要解读并应用这些信息。而其它部分内容，如保证时隙域中的信息是仅对成功发送GTS请求的节点有效的，其中显示超帧中对各节点的GTS分配信息。

当IEEE 802.15.4用于WBAN时，由于超帧结构中CFP的引入，保证了实时业务的低时延特性，而且非激活期也有利于降低网络中节点的能耗，但该标准仍然存在以下两方面的不足：

(1)在IEEE 802.15.4协议中，在竞争期对所有的业务提供平等的竞争机会，缺乏对不同业务进行优先级的区分，无法保证WBAN中高优先级业务在竞争期内以更高的成功概率进行传输。

(2)IEEE 802.15.4协议在GTS业务发送过程中，即使一个GTS业务的数据量很少，也至少要占用一个时隙，时隙浪费现象比较严重，并且随着超帧级数值的增大，时隙长度进一步扩展，时隙浪费问题就更加突出，即，IEEE 802.15.4协议在非激活期不能实现时隙的有效利用。

发明内容

本发明的目的在于针对IEEE 802.15.4协议应用在无线体域网中，存在无法区分业务优先级和非竞争期时隙浪费严重的不足，提出一种无线体域网中基于超帧的高效媒体接入控制方法，一方面保证无线体域网中高优先级业务在竞争期内以更高的成功概率进行传输，另一方面实现时隙的有效利用，满足无线体域网的应用需求。

实现本发明目的的技术思路是：在超帧结构的竞争期采用基于业务优先级的时隙ALOHA竞争机制保证高优先级业务更高概率的成功传输；在非竞争期采用微时隙的机制，将一个时隙划分成4个微时隙，使保证时隙GTS业务以微时隙为单位进行划分，实现时隙的有效利用。其实现步骤包括如下：

(1)协调点在超帧开始时广播发送信标帧，期中包括超帧长度、竞争期长度、及GTS描述域等协议参数，各普通节点接收到信标帧后，将所有协议参数记录在本地缓存中；

(2)竞争期设置高优先级业务专用时隙H、高优先级业务备选时隙h和普通时隙三种时隙，普通节点根据当前超帧竞争期中高优先级业务的数量，采用如下三种不同的竞争机制，实现高优先级业务在竞争期中以更高的概率成功传输：

(2a)当前超帧中没有高优先级业务，即只有低优先级业务时，低优先级业务采用时隙ALOHA的竞争机制在普通时隙中进行传输；

(2b)当前超帧里只有一个高优先级业务，即同时存在一个高优先级业务和低优先级业务时，该高优先级业务采用优先传输的机制，低优先级业务采用时隙ALOHA竞争机制在普通时隙中进行传输；

(2c)当前超帧中同时有多个高优先级业务，即同时存在多个高优先级业务和低优先级业务时，高优先级业务启用高优先级业务备选时隙h的竞争方式，而低优先级业务采用时隙ALOHA竞争机制在普通时隙中进行传输；

(3)竞争期结束后所有节点进入非竞争期，若普通节点有保证时隙GTS业务需要发送，并在当前超帧已成功获得保证时隙分配时，则普通节点在当前超帧非竞争期的相应微时隙与协调点进行保证时隙GTS业务交互，若普通节点无保证时隙GTS业务或未获得保证时隙分配，则该普通节点进入休眠；

(4)非竞争期结束后，所有普通节点和协调点进入非激活期，并在该时期进入休眠状态；

(5)非激活期结束后，所有协调点和普通节点进入下一个超帧，并返回步骤(1)。

本发明与IEEE 802.15.4协议相比具有以下优点：

1)本发明由于在超帧结构的竞争期设置高优先级业务专用时隙H、高优先级业务备选时隙h和普通时隙三种时隙，实现了基于业务优先级的时隙ALOHA竞争机制，保证了高优先级业务以更高的成功概率进行传输，这对无线体域网所支持的医疗领域应用至关重要。

2)本发明由于在非竞争期中采用微时隙机制，将原有1个时隙划分成4个微时隙，使保证时隙GTS的分配和利用以微时隙为单位进行，从而将GTS分配利用的最小单位减小为原来的1/4，有效提高了非竞争期时隙的利用率，进而把节省下的宝贵网络资源提供给其它节点在非竞争期或竞争期中予以利用，全面提高无线体域网整体性能。

附图说明

图1是现有无线体域网中业务的分类示意图；

图2是IEEE 802.15.4超帧结构示意图；

图3是IEEE 802.15.4中GTS分配的实现过程示意图；

图4是IEEE 802.15.4中信标帧结构示意图；

图5是本发明的流程图；

图6是本发明使用的信标帧结构示意图；

图7是本发明使用的超帧结构示意图；

图8是本发明使用无高优先级业务的高低优先级业务竞争示意图；

图9是本发明使用的仅有一个高优先级业务的高低优先级业务竞争示意图；

图10是本发明使用的同时有多个优先级业务的高低优先级业务竞争示意图。

具体实施方式

假设采用的网络模型为星型网络，所有普通节点的数据都发往位于网络中心的协调点；网络采用信标使能模式；所有普通节点的业务均通过保证时隙传输。其具体实施步骤参照图5，描述如下：

步骤1，发送信标帧。

在超帧开始时，协调点构造信标帧，其帧结构如图6所示，该信标帧是在IEEE802.15.4中信标帧结构的基础上改进的，与IEEE 802.15.4中的信标帧格式相比，该信标帧在GTS描述域中，将GTS的开始时隙和GTS的占用时隙数位数分别增加2位，用于描述微时隙的信息。协调点将该信标帧以广播方式发送，在信标帧的Beacon Payload中包含超帧长度、竞争期长度、GTS描述域等协议参数；普通节点接收到信标帧后，读取其中的超帧长度、竞争期长度、GTS描述域等协议参数，并记录在本地缓存中。

步骤2，在竞争期设置高优先级业务专用时隙H、高优先级业务备选时隙h和普通时隙三种时隙，普通节点根据当前超帧竞争期中高优先级业务的数量，采用三种不同的竞争机制，实现高优先级业务在竞争期中以更高的概率成功传输。

协调点发送完信标帧后，所有协调点和普通节点进入竞争期，竞争期设置在如图7所示的超帧结构中，该超帧结构一方面将竞争期中的时隙划分为三种，另一方面将非竞争期的时隙划分成微时隙，竞争期中三种时隙分别为高优先级业务专用时隙H、高优先级业务备选时隙h和普通时隙，其使用原则如下：

高优先级业务专用时隙H，是在每个超帧的竞争期为高优先级业务设置的一个专用时隙，目的在于使前一超帧中产生的高优先级业务，在当前超帧的H时隙实现更高概率的成功传输。即使在没有高优先级业务的情况下，H时隙也不会被占用，以此来保证高优先级业务的可靠性，但同时考虑其空闲时造成的时隙浪费，所以一个超帧中仅设置1个时隙为H时隙。

高优先级业务备选时隙h，是依据于当前超帧中高优先级业务的数量而启用，即只有在当前超帧中有多个高优先级业务，一个H时隙无法满足高优先级业务优先竞争的情况下，h时隙才会被启用，h时隙一旦启用，高优先级业务既能在h时隙中竞争，也能在普通时隙中竞争，而低优先级业务只能在普通时隙中竞争。

普通时隙，是竞争期中高优先级业务专用时隙H和高优先级业务备选时隙h之外的剩余时隙，低优先级业务总是在普通时隙中竞争资源。

根据竞争期的设计，存在三种不同的工作情况：

第一种情况：如图8所示，当前超帧中没有高优先级业务，即只有低优先级业务时，低优先级业务采用时隙ALOHA的竞争机制在普通时隙中进行传输，此时，由于没有高优先级业务，H时隙中无分组传输，H时隙为空时隙，且无需启用h时隙，所以此种情况下，超帧的竞争期中仅有高优先级业务专用时隙H和普通时隙两种时隙，而没有高优先级业务备选时隙h。

第二种情况：如图9所示，在当前超帧开始时，只有一个高优先级业务，即同时存在一个高优先级业务和低优先级业务时，该高优先级业务在当前超帧竞争期的H时隙实现优先传输，低优先级业务采用时隙ALOHA竞争机制在普通时隙中进行传输，此时，一个高优先级业务分组在H时隙中完成成功传输，也无需启用h时隙，所以这种情况下，超帧的竞争期中也仅有高优先级业务专用时隙H和普通时隙两种时隙，而没有高优先级业务备选时隙h。

第三种情况：如图10所示，当前超帧中同时有多个高优先级业务，即同时存在多个高优先级业务和低优先级业务时，多个高优先级业务在H时隙便会发生碰撞，一个H时隙已无法实现高优先级业务的优先竞争，则启动高优先级业务备选时隙h。h时隙一旦被启用，高优先级业务既能在h时隙中竞争，也能在普通时隙中竞争，而低优先级业务只能在普通时隙中竞争资源。此种情况下，超帧的竞争期不仅有高优先级业务专用时隙H和普通时隙，且有高优先级业务备选时隙h，且此时H时隙为非空时隙但无分组成功传输。值得说明的是：图10中所示的h时隙的位置及数目，只代表一种可能出现的情形，实际场景中，h时隙的数目及出现的位置与高优先级业务的多少及其竞争的情况密切相关。

以上三种情况针对无线体域网中的不同业务种类，实现了基于优先级的时隙ALOHA机制，从而保证了高优先级业务更高概率的传输，这对应用于医疗领域的无线体域网是至关重要的。

步骤3，非竞争期中保证时隙GTS业务传输。

竞争期结束后，所有的协调点和普通节点均进入非竞争期，将非竞争期中的一个时隙划分成4个微时隙，每个微时隙长度仅为原有时隙的1/4，若普通节点有保证时隙业务需要发送，并在当前超帧之前已成功获得保证时隙分配，则该普通节点根据已分配的GTS微时隙定时，以便在相应的GTS微时隙打开发送天线或接收天线，完成与协调点之间保证时隙GTS业务的传输，若普通节点没有发送GTS业务和接收GTS业务，或者普通节点有GTS业务但未获得相应的GTS微时隙分配，则该普通节点进入休眠状态。

步骤4，非竞争期结束后，所有的普通节点和协调点进入非激活期，并在该时期进入休眠状态；

步骤5，非激活期结束后所有的协调点和普通节点进入下一个超帧，若网络中仍有超帧存在，则转入步骤1且重复上述步骤。

术语说明

WBAN：无线体域网

PDA：个人数字助理

EEG：脑电图

ECG：心电图

EMG：肌电图

QoS：服务质量

CSMA/CA：载波侦听多址接入冲突避免

ALOHA：你好，再见

MAC：媒体接入控制

IEEE：美国电气和电子工程师协会

WPAN：无线个域网

Bluetooth：蓝牙

Zigbee：紫蜂

UWB：超宽带

ICT：信息通信技术

WSN：无线传感器网络

GTS：保证时隙

BI：信标间隔

BO：信标级数

SD：激活期长度

SO：超帧级数

Active：激活期

Inactive：非激活期

CAP：竞争期

CFP：非竞争期

ACK：确认帧

Beacon：信标帧

Beacon Payload：信标帧负载

GTS Specification：保证时隙描述

GTS Direction：保证时隙方向

GTS List：保证时隙列表。

Claims (5)

1.一种无线体域网中基于超帧的高效媒体接入控制方法，包括如下步骤：

(1)协调点在超帧开始时广播发送信标帧，期中包括超帧长度、竞争期长度、及GTS描述域等协议参数，各普通节点接收到信标帧后，将所有协议参数记录在本地缓存中；

(2)在竞争期设置高优先级业务专用时隙H、高优先级业务备选时隙h和普通时隙三种时隙，普通节点根据当前超帧竞争期中高优先级业务的数量，采用如下三种不同的竞争机制，实现高优先级业务在竞争期中以更高的概率成功传输：

(2a)当前超帧中没有高优先级业务，即只有低优先级业务时，低优先级业务采用时隙ALOHA的竞争机制在普通时隙中进行传输；

(2b)当前超帧里只有一个高优先级业务，即同时存在一个高优先级业务和低优先级业务时，该高优先级业务采用优先传输的机制，低优先级业务采用时隙ALOHA竞争机制在普通时隙中进行传输；

(2c)当前超帧中同时有多个高优先级业务，即同时存在多个高优先级业务和低优先级业务时，高优先级业务启用高优先级业务备选时隙h的竞争方式，而低优先级业务采用时隙ALOHA竞争机制在普通时隙中进行传输；

(3)竞争期结束后所有节点进入非竞争期，将非竞争期中的一个时隙划分成4个微时隙，每个微时隙长度仅为原有时隙的1/4，若普通节点有保证时隙GTS业务需要发送，并在当前超帧已成功获得保证时隙分配时，则保证时隙GTS业务的分配是以微时隙为单位进行；若普通节点无保证时隙GTS业务或未获得保证时隙分配，则该普通节点进入休眠；

(4)非竞争期结束后，所有普通节点和协调点进入非激活期，并在该时期进入休眠状态；

(5)非激活期结束后，所有协调点和普通节点进入下一个超帧，并返回步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的无线体域网媒体接入控制方法，其中步骤(1)所述的信标帧，是在IEEE 802.15.4中信标帧结构的基础上改进的，与IEEE 802.15.4中的信标帧格式相比，该信标帧在GTS描述域中，将GTS的开始时隙和GTS的占用时隙数位数分别增加2位，用于描述微时隙的信息。

3.根据权利要求1所述的无线体域网媒体接入控制方法，其中步骤(2b)所述的高优先级业务采用优先传输的机制，是在每个超帧的竞争期为高优先级业务设置的一个H时隙，当前超帧中仅有一个高优先级业务时，高优先级业务在高优先级业务专用时隙H中实现优先传输。

4.根据权利要求1所述的无线体域网媒体接入控制方法，其中步骤(2c)所述的启用高优先级业务备选时隙h的竞争方式，是在一个H时隙无法满足多个高优先级业务优先竞争的情况下，启用h时隙，h时隙一旦启用，则高优先级业务既能在h时隙中竞争，也能在普通时隙中参与竞争。

5.根据权利要求1所述的无线体域网媒体接入控制方法，其中步骤(3)所述的普通节点在当前超帧非竞争期的相应微时隙与协调点进行保证时隙GTS业务交互，是将非竞争期中的一个时隙划分成4个微时隙，每个微时隙长度仅为原有时隙的1/4，保证时隙GTS业务的分配是以微时隙为单位进行。

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