CN102342151B - 对短程无线网络的改进 - Google Patents

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Abstract

一种设备的无线网络，包括中继开始设备、中间设备以及中继结束设备，其中在使用时，经由中间设备在中继开始设备与中继结束设备之间无线地传递信息，其中：中间设备包括控制装置和传送装置，控制装置可操作用于使中间设备的传送装置传送根据中间设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示。

Description

对短程无线网络的改进
技术领域
本发明涉及无线个人局域网，并且具体地，但不一定排他地，涉及无线传感器网络以及涉及包括布置在人体或动物体上或周围的无线通信传感器的身体局域网。
背景技术
所谓的身体局域网或BAN是用于在相对短的距离内传送信息的无线个人局域网(WPAN)的示例。与无线局域网(WLAN)不同，经由WPAN实现的连接涉及较少的基础设施或不涉及基础设施。该特征允许针对各种各样的设备实施小型、节能、成本低的解决方案。尤其关注的是传感器用于监测患者的状态的医疗BAN(MBAN)的可能性。主要采用用于将感测数据馈送到数据宿(其也可以是网络协调器)的传感器的BAN是无线传感器网络(WSN)的示例；然而，更多的有源设备(诸如，致动器)也可包括在用作MBAN的WSN中。
短程无线网络的另一引起关注的使用是在工业监测中。这样的无线网络可被设计成包括传感器和/或其它设备。例如，一种配置可包括传感器，这些传感器被布置成测量涡轮叶片或其它用于监测的工业零件上的各个不同位置处的参数(诸如，温度)。此外，更多的有源设备可以包括在这样的无线网络中，并且需要较少的基础设施或者不需要基础设施。
标准IEEE 802.15.4定义了用于低数据率的WPAN的物理层(PHY)和介质访问控制(MAC)子层的规范，但是IEEE 802.15.4网络的覆盖范围可延伸到个人操作空间(POS)之外，其中，个人操作空间通常定义了WPAN并且因此也适合于稍大规模的工业配置。为了该申请的目的，这样稍大规模的网络包括在术语WSN、WPAN以及BAN内。IEEE 802.15.4与自组式微微网(ad-hoc piconet)的标准802.15.3具有一些相似性。人或物体周围的这样的微微网通常在各方向上覆盖至少10m，并且包围人或物体，无论是静止还是在运动。它们包括数据率较高的WPAN。在此通过引用将文献IEEE Std 802.15.4-2006和IEEE Std 802.15.3-2003的全部 内容合并于此。
在IEEE 802.15.4中所设想的类型的WPAN适合于诸如工业监测的应用，但是不提供MBAN所需的这种数据可靠性。
在医疗应用中，需要降低与人力相关联的成本，同时提高可靠性和过程自动化并减少人为失误。传感器可以提供所需的智能性，并且已经广泛地用在医疗设备中。这包括医院康复护理单元、家庭护理单元、重点护理单元以及先进的外科手术。存在许多用于医疗应用的不同类型的传感器，包括用于脉冲、温度等的外部传感器、与体液接触的传感器、用在导管中(通过切口)的传感器、用于外部应用的传感器、具有无线传感器的一次性皮肤贴布以及可植入传感器。
医院或内科病房中的患者周围的传感器的WPAN可提供多种临床优势，包括患者移动性、监测灵活性、将监测延伸到当前未监测的护理区中、减少临床错误以及降低总体监测成本。体佩式传感器可包括单个患者身体上的多种传感器类型。它们需要快速应用于患者的身体或快速从患者的身体移除的能力。
以个体为基础，这样的传感器可具有对于每个患者低达1-2kbps的比特率，并且以集合为基础，它们可要求10kbps的比特率。小至1米的范围可能是足够的。然而，医疗WSN应用在临床环境中是任务关键应用。针对有界数据损失和有界等待时间的稳健无线中继、针对患者和传感器密度的容量、与其它无线电的共存性、针对连续运行天数的电池寿命以及针对体佩式设备的小型化在对医疗WSN或MBAN的要求中。这些要求可以通过在时域和频域内利用诸如差异性和误差控制技术的技术来满足，包括前向纠错(FEC)和自适应重复请求(ARQ)、针对传感器信息速率的低工作循环TDMA以及更多高效的小型天线。因此，正努力定义另一标准IEEE 802.15.6，其旨在定义专门用于医疗应用的身体局域网的属性。
IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4、IEEE 802.15.6以及与无线网络相关的其它标准的关键要求之一是可靠性。这对于患者的生命取决于医疗WSN应用中的无线链路的可靠性的紧急情况或者对于监测任务关键工业环境(诸如，发电站)尤其重要。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种设备的无线网络，该设备的无线网 络包括中继开始设备、中间设备以及中继结束设备，其中，在使用时，经由到中间设备的连接而在中继开始设备与中继结束设备之间无线地传递信息，其中，中间设备包括控制装置和传送装置，控制装置可操作用于使中间设备的传送装置传送根据中间设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示。
特别地，如果经由中间设备连接的网络的连接中的一个或多个连接由于低信噪比、耗尽的电池电量以及其它类似因素而变得不稳定，则中间设备(其是用作传送路线上的中继的设备)会破坏该网络的可靠性。在本发明实施例中，可以通过网络使用稳定性参数来识别不稳定的中间设备，并且因此在参数揭示设备的不稳定性时，可以采取任何适当的动作，以例如使得有效地关断该中间设备，从而允许网络绕过不稳定的设备并且保护患者信息或其它任务关键信息的传送。
通过使用揭示在传送困难的初期中发生的改变的稳定性参数，当连接故障可能是间歇的并且传送仍然成功时，可以在连接丢失之前或者至少在此之后立即采取动作，从而通过仅经由不同的路线来恢复永久丢失的连接的任何方法来潜在地使得网络可靠性显著提高。
稳定性指示的传送可以在下行链路方向上或者在上行链路方向上。优选地，该指示被传送到中继开始设备。这可以是在上行链路方向上(直接地或间接地至网络协调器，网络协调器接着可根据该指示及其来源而产生如下所述的停止命令)或者在下行链路方向上(以使得该指示或从该指示及其来源得到的任何信令的任意传送优选地应该接着经由另一传送路线被发送到协调器，以避开不稳定的中间设备)。本领域技术人员还将意识到，中继开始设备与中继结束设备之间的传送方向是上行或下行。
优选地，该网络包括判定装置，该判定装置可操作用于在接收到稳定性指示时将该稳定性指示纳入考虑，以判定是否向中间设备传送停止/休眠命令，从而通过简单的关断或通过进入100％(完全)休眠模式而使得中间设备停止传送和接收。
停止命令可至少暂时地迫使中间设备进入完全休眠模式，例如直到采取了用于补救引起稳定性损失的情形的步骤为止。特别地，电池供电的设备通常需要工作循环(duty cycling)以降低功耗。工作循环设备具有休眠模式，从而将它们的大部分运行寿命花费在休眠状态下。这样的设备周期性地“唤醒”以进行传送或接收。休眠/唤醒模式(也简称为休眠模式)是周期性的并且确定在每个时段内设备醒来以进行传送和接收的时间长 度。其可以以休眠模式位的形式被发送到设备。处于完全休眠模式的设备不会醒来以进行传送和接收。当然，完全休眠模式也可应用于非电池供电的设备，以便停止它们的传送和接收。使设备进入100％休眠的优点在于不稳定性可能是由于降低无线电信道的质量的临时障碍而导致的。网络可回到设备并且再次检查该设备。如果仅仅关断传送和接收，则这在一些情况下是不可能的。在一个实施例中，设备包括内部定时器和/或用于唤醒的适当阈值，以使得休眠的不稳定设备(或RX/TX被关断的设备)周期性地(例如，每五个小时)醒来并发送传送请求。如果不稳定性不再明显，则设备可以加入网络。
本文中使用术语“中继开始”和“中继结束”来表示无线设备关于经由中间设备的信息传送路线的功能，这是因为在中继开始设备和中继结束设备中的每一个与中间设备之间直接传送信息。中继开始设备和中继结束设备可各自形成信息传送路线的终端(诸如，无线网络的协调器、或者致动器或传感器或其它终端设备)，或者它们自身可以是信息传送路线上的中继。在更复杂的网络中，上述设备中的任一个或全部可以具有两种或多种功能，从而用作例如传感器和中继、或者用作协调器和中继。
稳定性指示可以以任何适当的形式(可能在数据帧内)传送。指示实际上可包括实际稳定性参数值，或者可由中间设备的处理装置以某种方式来处理参数值以产生指示。例如，指示可基于参数与下限阈值或上限阈值的比较来计算，或者可根据改变或改变率而得出。可进一步处理指示以使其成为适合于传送的形式，例如使用查找表，该查找表可使一个或多个阈值比较结果与用于传送的比特等同。
优选地，当网络使用传送帧时，在传送帧中(例如，在控制字段或有效载荷中)传送指示。这可以通过使用被设置为预定值的控制字段或将控制字段用作MAC命令帧中的有效载荷来进行。在一个优选实施例中，该值可以是组合用于表示稳定性的一个或多个比特。
如果使用一个比特，则稳定性指示是通或断。在更复杂的实现中，可利用稳定性指示提供多于一个稳定性/不稳定性等级，以使得网络可以以区分方式对中间设备很可能缺乏稳定性以及更加确定缺乏稳定性作出反应。例如，可以使用两个比特来表示诸如稳定、稳定性担忧、不稳定性以及稳定性紧急的状态。
在优选实施例中，指示的传送优先于来自中间设备的其它传送。例如，包括指示的传送可以被安排在不包括指示的传送之前。替选地，可以持续 地或在特定时段内在从中间设备发送的所有传送帧中发送指示。
表明在设备传送和/或接收中间歇的未完成功能以使得到网络的连接是间歇性的任何适当参数可以用作中间设备的稳定性参数。
网络优选地包括确认功能，以使得信息的传送被确认。在该情况下，一个稳定性参数可以是中间设备期待但未接收到的传送的漏掉确认的累积次数。
通常，中间设备还包括保存等待传送的信息的传送缓冲器，并且如果这样，则一个稳定性参数可以是在传送缓冲器中等待的信息量。特别地，如果存在较小的传送缓冲器，则除等待的信息量之外或者作为其替选而使用的一个稳定性参数可以是中间设备丢掉的数据包的数量。
本领域技术人员将意识到，在以上两个示例中，所选的参数可以与连接稳定性成反比，并且因此更传统地，所选的参数会被视为不稳定性参数，但是其它参数可直接与稳定性成比例。
可组合任何稳定性参数以得到更确定的稳定性表示。同样，与每一个均超过其各自阈值的参数的组合相比，单独采用的超过阈值的一个参数可以给出更高等级的稳定性/不稳定性指示。在一个优选实施例中，如果漏掉确认的累积次数以及信息等待/数据丢包参数两者均超过该参数的预定阈值，则发送低稳定性的指示。例如，一旦越过了用于漏掉确认的阈值，则中间设备的控制装置进行检查以了解是否越过了信息等待/数据丢包参数的阈值，并且如果是这样，则发送低稳定性/不稳定性的指示。
设置在网络中用于判定是否发送停止/休眠命令的判定装置可以单独地基于稳定性指示而工作，而不管是否提供了一个或多个稳定性等级。替选地，可将其它因素纳入考虑，例如，避开中间设备的替选路线的可用性和/或正进行的传送的紧急状态。
当然，如果可能的话，一旦已确定中间设备是不稳定的，建立新的可靠路线就很重要。优选地，设备的无线网络还包括重连装置，其可操作用于建立避开中间设备的替选路线。根据网络控制结构的分布，中继开始设备的控制装置或者网络的协调器可使得重连装置工作。
中继开始设备中的控制装置可操作用于增加该设备的传送功率以进行重连。可仅利用这种传送功率的增加而试图到达其它中间设备(例如通过“跳过(leapfrog)”原始的中间设备)，来建立替选路线。替选地或者附加地，中继开始设备的控制装置可指示使用绕开中间设备的新地理传送 模式。该后一策略与定向天线一起使用。
优选地，重连装置本身包括中继开始设备中的控制装置以及替选路线上的替代中间设备的另一设备中的控制装置，二者可一起操作用于建立新连接。
在优选实施例中，重连装置可操作用于(在稳定性指示之后以及)在发布停止命令之前提供网络连续性。优选地，仅在连接装置已成功地建立替选传送路线的情况下才发出停止命令。
判定装置需要足够的处理功率以对稳定性指示适当地作出反应，该稳定性指示或许与关于所讨论的信息传送路线或者关于其它网络问题的其它因素相结合。在更分散的场景中，判定装置可设置在中继开始设备中。然而，优选地，判定装置设置在网络协调器中。在这样的情况下，中继开始设备可操作用于将中间设备标识传送到协调器(优选地与相关的稳定性指示一起)。随后，优选地，停止命令从协调器被传送到中继开始设备并且进而传送到中间设备。
设备的无线网络还可包括报警装置，该报警装置可操作用于根据稳定性指示而警告外部实体注意中间设备的不稳定性。因此，甚至在没有发送停止命令的情况下(例如，如果不存在替选路线，或者如果稳定性等级还未高到足以证明从网络当中切断该设备)，也可以提供外部警报。
例如，协调器可以向与协调器有线或无线连接的中央监测单元发送警报。因此，根据WSN配置，中央监测单元可以是无线传感器网络的一部分或者不是无线传感器网络的一部分。
中央监测单元(在医疗应用中，有时也称为中央监测和医疗护理单元)可以是具有监测设备的站，该监测设备能够从多个站(例如，对于多个患者或者多个机器)接收连续的或偶尔的紧急数据流。中央监测单元可包括任务是监测所接收到的数据的操作员(诸如，护士或专科医师)。这些操作员可以响应于例如个体患者或工业零件的状态的改变而采取动作。
在另一方面，本发明实施例提供了一种在设备的无线网络中使用的设备，其中，在使用时，在该设备与至少一个其它网络设备之间无线地传递信息，该设备包括：传送和接收装置；以及可操作用于控制该设备的控制装置；其中，控制装置可操作用于使传送装置传送根据设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示。
因此，稳定性指示适合供任何网络设备使用，从而提供其连接稳定性 的有用指示符。因此，应将本文中对中间设备的任何提及认为是适当地应用更通用的网络设备。
在另一方面，本发明实施例提供了一种在设备的无线网络中使用的中间设备，该设备的无线网络包括中继开始设备、中间设备以及中继结束设备，其中，在使用时，经由中间设备在中继开始设备与中继结束设备之间无线地传递信息，中间设备包括：传送和接收装置；以及可操作用于控制设备的控制装置；其中，控制装置可操作用于使传送装置传送根据设备的至少一个稳定性参数的稳定性指示，并且当作为稳定性指示的结果接收到停止命令时，停止设备的传送和/或接收。
如本领域技术人员从前述内容所意识到的，优选地，中间设备的接收装置可操作用于接收考虑到稳定性指示而传送的、用以迫使中间设备停止操作(例如，通过迫使中间设备进入完全休眠模式)的命令；并且作为该命令(迫使中间设备进入休眠模式)的结果，控制装置可操作用于停止设备操作。
在另一方面，本发明实施例提供了一种设备的无线网络中的协调器，该设备的无线网络至少包括协调器、中间设备以及中继结束设备，其中在使用时，经由中间设备在协调器与中继结束设备之间无线地传递信息，其中协调器包括：接收装置，可操作用于从中间设备接收中间设备的连接稳定性指示；以及判定装置，可操作用于在接收到稳定性指示时将该稳定性指示纳入考虑，以判定是否向中间设备传送停止命令，从而使得中间设备停止传送和接收。
在该方面，协调器可起中继开始设备的作用，并且因此与中间设备直接通信。替选地，协调器可沿着传送路线比中继开始设备更远，并且间接地(即，至少经由中继开始设备并且潜在地另外经由其它设备)从中间设备进行接收以及向中间设备进行传送。
在本发明的又一方面，实施例提供了一种在无线网络中使用的传送帧格式，其中，传送帧格式包括用于与中间设备的连接稳定性有关的稳定性指示的稳定性字段以及用于命令中间设备停止传送和接收的停止字段。优选地，这两个字段被提供作为MAC帧中的控制字段或有效载荷字段。
根据本发明的方法方面，提供了一种在设备的无线网络中的方法，该设备的无线网络包括中继开始设备、中间设备以及中继结束设备，在该方法中，经由中间设备在中继开始设备与中继结束设备之间无线地传递信 息，其中，中间设备传送根据中间设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示；并且网络将该连接稳定性指示纳入考虑，以判定是否向中间设备传送停止命令，从而使得中间设备停止传送和接收。
根据另一方法方面，提供了一种设备的无线网络的中间设备中的方法，该设备的无线网络包括中继开始设备、中间设备以及中继结束设备，在该方法中，经由中间设备在中继开始设备与中继结束设备之间无线地传递信息，其中，中间设备传送根据设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示，并且在作为指示的结果而从网络接收到停止命令的情况下，停止接收和传送。
根据又一方法方面，提供了一种设备的无线网络的协调器中的方法，该设备的无线网络至少包括协调器、中间设备以及中继结束设备，在该方法中，经由中间设备在协调器与中继结束设备之间无线地传递信息，其中，协调器从中间设备接收中间设备的连接稳定性指示；并且将该指示纳入考虑以判定是否向中间设备传送停止命令，从而使得中间设备停止传送和接收。
本发明的其他方面提供了如下两种软件(或计算机程序)：一种软件(或计算机程序)当由无线传感器网络的传感器或协调器或者控制监测单元的处理器执行时，分别提供上述传感器或协调器或者控制监测单元的功能性；以及一种软件(或计算机程序)当由传感器或协调器执行时，执行针对这些设备所描述的方法。这样的软件可存储在计算机可读介质上。
以上仅针对一个方面描述了多个特征，以避免重复。然而，任意这些方面的特征和优选特征可自由组合，并且可适当地应用于其它方面。特别地，读者将意识到，在定义了传送和接收装置的情况下，相应的接收和传送装置分别设置在信号路径的相对端处。本领域技术人员还将意识到，无线网络中的设备均包括可操作用于执行所定义的方法步骤/功能性的传送装置、接收装置以及控制装置。
附图说明
为了更好地理解本发明，以及为了更清楚地示出如何实现本发明，仅作为示例，现在将参照以下附图，在附图中：
图1示出了IEEE 802.15.4WPAN中的协议层；
图2示出了IEEE 802.15.4WPAN的可能PHY带；
图3示出了WPAN的星型和对等拓扑；
图4示出了信标使能的IEEE 802.15.4WPAN中的超帧的结构；
图5至8示出了在IEEE 802.15.4WPAN中网络设备与协调器之间的数据传输的可能模式；
图9示出了用于IEEE 802.15.4WPAN中的数据帧的帧格式；
图10示出了图9的帧格式中的帧控制字段的结构；
图11是图10的帧控制字段中的帧类型位的可能值的表格；
图12a是示出在具有不稳定中间设备的WSN中协调器与医疗设备之间的通信的示意图；
图12b是示出图12a中的不稳定设备的第一结果的示意图；
图12c是示出图12a中的不稳定设备的第二结果的示意图；
图12d是示出图12a中的不稳定设备的最终结果的示意图；
图13是示出使用本发明实施例解决中间设备不稳定性的情形的传送图；
图14是图13的传送的不同描绘；
图15a是示出植入设备与协调器之间经由无线网络的通信的示意图；
图15b是示出图15a的、传送路线上的中间设备B的不稳定性的图；
图15c是图15a的、设备A搜索传送路线上的替换设备的图；
图15d是图15a的、现在建立了新路线的图；
图16是示出使用具有定向天线能力的本发明实施例解决中间设备不稳定性的情形的传送图；
图17是图16的传送的不同描绘；
图18示出了所需要的对IEEE 802.15.4的帧控制字段的、包括稳定性位和停止位的修改；
图19示出了MAC(命令)帧的当前IEEE 802.15.4基本格式；
图20示出了IEEE 802.15.4的当前命令帧标识符；
图21示出了包括稳定性指示的适当MAC命令帧；
图21b示出了包括稳定性指示的另一适当MAC命令帧；以及
图22示出了命令帧标识符的修改表格。
具体实施方式
在说明本发明的实施例之前，将给出IEEE 802.15.4中被认为与无线网络(诸如，微微网、WPAN以及BAN(包括MBAN))的设计有关和/或可以用作当前在开发中的IEEE 802.15.6标准的基础的那些部分的一些背景说明，其中该无线网络包括具有可变休眠模式的设备。
图1示出了按照分层OSI模型的、标记为100的IEEE 802.15.4WPAN的一般体系结构，其中，经由包含无线电收发器的PHY层及其低等级控制访问物理介质。如所示，对于PHY，存在图2所示的两个交替频带101、102。低频带101提供以868.3MHz为中心的单个20kb/s的信道和/或以915MHz为中心的、每个均为40kb/s的十个信道。高频带102提供每个均为250kb/s并且以2.44GHz的频率为中心的16个信道。使用这些频带中的哪一个将取决于本地规章要求。
对PHY的访问是通过以图1中的105表示的MAC(介质访问控制)子层提供的。在该MAC子层之上，并且同样在WPAN 100的外部，设置了允许从其他网络访问WPAN的LLC(链路层控制)；这可根据IEEE802.2标准或者是另一类型。最终，在LLC之上的上层109包括用于提供网络配置、操纵以及消息路由的网络层、以及提供预期的总体功能的应用层。
MAC子层的一个任务是控制网络拓扑。星型和对等是通信网络中两种已知的拓扑，并且在IEEE 802.15.4中对二者都进行了规定。在两种情况下，拓扑区分两种基本的网络节点：设备和协调器。如图3所示，在星型拓扑中，多个设备11直接与中央协调器10通信；而在对等配置中，在将中间设备11B和11C用作中继的情况下沿着一跳或多跳使得设备11A与通信器通信。协调器用作到上层的接入点；在WSN的情况下，协调器用作由传感器采集的数据的宿。假定每个设备的通信距离可能是非常有限的(几米)，则对等拓扑允许覆盖较大的区域。拓扑可以是动态的，随着设备被添加或从网络离开而改变。
在工业WSN的情况下，例如，星型网络适于监测来自具有运动部件的机器的单个静止物品上的传感器的读数。另一方面，对等拓扑可以用于监测传送带上的物体。
在MBAN的情况下，例如，在协调器设置在各个患者地点(诸如，医院病床)处从而与单个患者上的设备交换信号的情况下，星型网络将是适当的。对等在设置一个协调器以为多个患者服务(协调器可位于医院病房的固定点处)的情况下将是更适当的拓扑。因此，当设备11通常是移动的时，协调器可以是移动的或者固定的。对等网络也可更适合于快速改变的环境，其中，需要迅速地建立或改变网络，或者需要允许网络的自组织和自修复。自修复可包括例如在现有协调器已出故障或离开网络的情况下建立新的协调器。本发明的实施例涉及星型或对等形式的多跳网络。
多个星型和/或对等网络可被设立在同一位置，诸如医院或工厂，每个网络均具有它们自己的协调器。在该情况下，各个协调器将需要合作以便避免相互干扰并且允许数据的共享或核对。在IEEE 802.15.4中，将这样的网络称为簇(cluster)，并且规定为簇建立总体协调器以及划分和合并簇。
WPAN中的节点可由具有变化能力的单元构成。一般，协调器的任务将需要相对有能力的设备，该设备具有一定处理功率和能够同时处理来自多个源的传送的收发器。这又需要充足的电力供应(在一些情况下，其可以是电网供电的)。另一方面，网络中的其它设备可具有更有限的处理能力并仅接入电池电源，并且甚至可简单到不能用作中继跳。具有非常低功率可用性的设备可大部分时间关闭，并且仅偶尔“醒来”，例如以向另一节点传送传感器数据。因此，IEEE 802.15.4标准区分“全功能”设备和“简化功能”设备。功率的可用性对于MBAN以及其它WPAN而言是特殊问题，其中，传感器可被植入身体或设备内并因此不能具有大的或可充电的电池。
IEEE 802.15.4中设想的两种类型的WPAN是信标使能的和非信标使能的。 
在信标使能的网络中，协调器周期性地传送信标并且设备周期性地监听该信标，以与网络同步并且接入信道。信道接入遵循由协调器定义的、如图4所示的超帧结构。每个超帧30包括两部分：活跃部分和非活跃部分。活跃部分被划分成竞争接入时期CAP 36，紧接着是用于具有服务要求质量的应用的确保接入的可选无竞争时期CFP 37。
如图4中的垂直划分所示，超帧被划分成16个等间隔的时隙，每个时隙均能够携带来自协调器或者来自设备的数据帧。首先是用于由协调器传送的信标帧(参见以下)的时隙31。此后，若干个时隙32设置在CAP 内，从而允许以竞争为基础的、遵循已知的CSMA-CA算法将数据传送到设备或从设备传送数据。简言之，在CSMA-CA中，每次设备希望在CAP内进行传送时，其等待随机时期。如果在该随机退避之后发现信道是空闲的，则设备传送其数据。如果在该随机退避之后发现信道繁忙，则设备在试图再次接入信道之前等待另一随机时期。
接下来是CFP的保障时隙GTS 33，并且如所示，每个保障时隙GTS33均可扩展超过多于一个基本时隙。在非活跃时期期满之后，发送另一信标帧31的协调器标记下一超帧。设备在超帧的非活跃时期34期间可以休眠。因此，通过扩展非活跃时期34的长度，可以尽可能多地节约设备的电池电量。
在非信标使能的网络中，不需要协调器传送用于同步的信标，除非请求该协调器这样做(例如，为了网络发现目的)。信道接入不受超帧结构的限制，并且设备是异步的，从而通过CSMA-CA执行所有数据传输。它们可以根据特定协议(诸如，传感器-MAC)而遵循其自身的休眠模式(或工作循环)。
对于MBAN应用，协调器在被监测的一个或多个身体的外部。它可以是PDA、移动电话、床边监测台或者甚至完全有能力的传感器，其临时地用作协调器。在工业WSN中，协调器可以是PDA、传感器、膝上计算机或其它计算机，或者甚至是中央或区域处理器。如上所述，信标使能网络中的协调器负责向网络设备提供同步和信道接入。超帧的开头和结尾也由协调器来定义。协调器具有两个主要的特征：与其它网络的潜在通信以及例如通过容易替换充好电的电池而接入充足的电源。
图5至图8示出了IEEE 802.15.4网络中设备与协调器之间的数据传输。在IEEE 802.15.4中定义了这些基本类型的传输：
(i)到作为接收方的协调器的数据传输(其中，设备(发送方)将其数据传送到接收方)-在星型拓扑和对等拓扑两者中使用；
(ii)来自作为发送方的协调器的数据传输(其中，设备接收数据)-在星型拓扑和对等拓扑两者中使用；以及
(iii)两个对等体之间的数据传输-仅在对等网络中使用的。
图5和图6分别针对信标使能情况和非信标使能情况描绘了从设备(网络设备11)到协调器(协调器10)的传输。区别在于，在信标使能的情况下，设备1在CFP中使用CSMA-CA、或者在CAP中使用GTS 发送数据(数据帧42)之前，必须等待接收来自协调器的信标帧41；而在非信标使能的情况下，通常不存在信标帧，并且设备11使用CSMA-CA随意地发送数据帧42。在任一情况下，协调器通过传送可选确认帧43而确认数据的成功接收。以下更详细地说明这些不同类型的帧。
如果接收方出于任何原因而不能处理所接收的数据帧，则消息不被确认。如果发送方在一定时期之后没有接收到确认，则其认为传送不成功并且重新尝试帧传送。如果在若干次重新尝试之后仍未接收到确认，则发送方可以选择终止处理或再次尝试。当不需要确认时，发送方认为传送成功。
图7和图8示出了从协调器10到设备11的数据传输。当协调器希望将数据传输到信标使能的WPAN中的设备(图7)时，其在信标帧41中表示数据消息正挂起。设备周期性地监听信标帧，并且如果消息正挂起，则通过CSMA-CA传送请求数据的数据请求(MAC命令)44。协调器10通过传送确认帧43来确认数据请求的成功接收。然后，使用时隙式CSMA-CA或者(如果可能)紧接在确认之后，发送挂起的数据帧42。设备11可通过传送可选的确认帧43来确认数据的成功接收。处理现在完成。在成功完成数据处理时，从信标中的挂起消息列表中移除该消息。
在非信标使能的情况下，具有为特定设备11准备的数据的协调器11必须等待以竞争为基础从所涉及的设备发送的数据请求44。在接收到这样的请求时，协调器发送确认帧43(如果是这种情况，这也可以用于表明没有准备数据)，之后是数据帧42，其中设备11可响应于数据帧42又发送另一确认帧43。
为了简明，以上过程仅考虑了设备与协调器之间的数据传输的以上情况(i)和(ii)，但是在对等网络中，如已提及的，数据传输一般将经由涉及一个或多个中间节点的机制(iii)进行，这增加了所涉及的冲突和延迟的风险。
如图5至图8所示，IEEE 802.15.4网络中的通信涉及四种不同类型的帧：
—信标帧41，由协调器用来传送信标
—数据帧42，用于全部数据传输
—确认帧43，用于确认成功的帧接收
—MAC命令帧44，用于处理所有MAC对等实体控制传输(诸如，数据请求)。
四种帧类型中的每一种的结构非常类似，并且作为示例，在图9中示出了数据帧42的结构。在图中，两个水平条分别表示MAC子层和PHY层。时间从左到右前进，并且在所涉及的字段之上(以八位字节)示出了帧的各接连字段的时间长度。每帧包括按特定顺序的一系列字段，这些字段按PHY传送它们的顺序从左到右来绘出，其中最左位是在时间上首先传送的。从0(最左且最低有效)至k-1(最右且最高有效)对每个字段内的位进行编号，其中字段的长度是k位。
要经由数据帧42发送的数据源自上层。数据有效载荷被传递到MAC子层，并且被称为MAC服务数据单元(MSDU)。MAC有效载荷加有MAC报头MHR作为前缀并且附加有MAC脚注MFR。MHR包含帧控制字段50(参见以下)、数据序列号(DSN)、寻址字段以及可选的辅助安全报头。MFR包括16位帧校验序列FCS。MHR、MAC有效载荷以及MFR一起构成MAC数据帧(即，MPDU)。将MPDU传递到PHY，作为成为PHY有效载荷的PHY服务数据单元PSDU。以八位字节的形式，PHY有效载荷加有同步报头SHR和PHY报头PHR作为前缀，其中，同步报头SHR包含前导序列和帧起始定界符SFD，并且PHY报头PHR包含PHY有效载荷长度。前导序列和数据SFD使得接收器能够实现符号同步。SHR、PHR以及PHY有效载荷一起构成PHY包(PHY协议数据单元PPDU)。
除了MAC有效载荷在每种情况下具有不同功能之外，信标帧41、确认帧43以及MAC命令帧44具有类似的结构，其中，确认帧不具有MAC有效载荷。另外，信标帧41、确认帧43以及MAC命令帧44源于MAC子层而不涉及上层。
在图10中更详细地示出了在每种类型的帧中使用的帧控制字段50。如所示的，该帧控制字段包括分配给针对不同目的的子字段的16个比特。特别地，字段的前三位表示帧类型51：信标帧41、数据帧42、确认帧43或者MAC命令帧44。图11中示出了表示帧类型的方式。在帧类型位51之后是表示MAC子层是否实现了安全性的单个位的安全性使能子字段52。接着是用于表示发送方对于接收方而言是否具有更多数据的帧挂起子字段53。接下来是用于表示是否从接收方请求了确认的Ack.请求子字段54。此后，接着是用于寻址目的或在当前IEEE 802.15.4规范中保留的另外的一些子字段55至59。
如所述，图11是帧类型子字段51的可能位值的表格，其示出了在 IEEE 802.15.4规范中未使用值100和101。
已概述了本发明的背景，现在参考产生问题的网络状况以及本发明的实施例。
IEEE 802.15.6的主要要求之一是医疗信息和其它关键信息的可靠传送以及经由通过WSN或其它无线网络传送医疗信息的链路或跳的通信的稳定性的问题。传送路径上的任何设备(诸如，用作中间设备的不稳定医疗传感器或设备)会遭受断开以及无法到达的问题。这可能是由许多因素引起的，诸如低信噪比以及就传送功率来说超出范围。遭受不稳定性的设备会更频繁地连接和断开。对于先前在IEEE 802.15.3和IEEE 802.15.4中考虑的商业应用，稳定性可能不像对于诸如IEEE 802.15.6的医疗标准以及对于其它关键数据传送那样关键。偶尔断线的不稳定设备会导致救命的医疗过程或通信的崩溃。这会严重地削弱患者的安全性。
已基于掉线的连接的数量或设备断开并且重新连接到协调器和作为对IEEE 802.15.3的变型的WSN的次数，考虑了稳定性管理。该方法所带来的问题在于依赖于丢失连接的数量对于商业应用来说可能足够可靠，但是不适合于医疗或其它关键应用。由于设备的任何连接掉线会中断正进行的医疗应用，进而危及依赖于从协调器接收的关键信息的患者的生命，因此这不足够可靠。
本发明的实施例通过考虑一些先发制人的措施而采取不同的方法，以通过防止链接丢失而针对不稳定设备保护患者。换言之，不是依赖于对于医疗应用而言不够好的、丢失的连接数量(即，其可以被看作是用于医疗应用的“过晚”方法)，实施例而是考虑中继设备连接参数(诸如，漏掉Ack的次数以及丢失的数据(或拥挤数据)量)作为针对如下设备的稳定性的缺乏而保护患者的稳定性/不稳定性措施：该设备用作对等网络配置中的中间中继节点，并且传送生命关键的医疗信息。这些参数在连接掉线之前是可用的。
在下一部分中，我们提供了对面向当试图通过用作中继的不稳定中间设备进行通信时无线传感器网络中的患者的问题的详细描述。
图12是示出具有网关或协调器61以及经由包括不稳定设备63的中继链接的传感器62的WSN 60的示意图。当协调器试图通过多跳到达身体植入传感器时，该不稳定设备可以影响整个医疗过程。因此，该问题涉及经由不稳定设备、通过多跳传送从协调器到体内植入的或者身体上的医 疗传感器的传送。
在图12a中，到植入设备的通信由于设备C的不稳定性而中断。在图12b中，设备C使得超过了确认超时的阈值数。即，未接收到来自设备D的期望确认，这是因为未成功地传送计划给设备D的数据。在图12c中，将在设备C处丢失关键的医疗数据，这是因为数据缓冲器达到满置。最终，在图12c中，设备C和D之间的连接完全失败，并且救命的医疗应用中断。
在下一部分中，我们描述根据本发明实施例的协议，其在多跳传送下进行保护而不受不稳定中间设备的影响。
针对上述问题的第一解决方案给出了采用全向天线的医疗WSN中的稳定性管理。
图13是示出多跳传送中的中间中继设备变得不稳定的情形的传送图。全向天线配置在中继传感器处。图14是为了容易识别而使用同一方案标记的更详细视图。这些和以下的图示出了下行链路方向上的初始信息传送作为示例，但是初始传送也可以是上行的，在该情况下，命令和信令的方向是相反的。
为了确定设备是否不可用，采用两个度量：1.漏掉Ack(确认)的次数；2.在用于具有长记忆的设备的、等待传送的传送缓冲器中累积的数据量(对于短记忆设备，这将以已丢掉的包数据量来替代)。
可以看出，协调器可如何确定使不稳定的非医疗设备进入强制休眠，以防止其由于不稳定设备B未来试图进行传送、或者其它设备通过不稳定设备B进行中继的潜在的未来不成功尝试而危及医疗设备传送。使任何不稳定设备进入强制休眠的判定将由考虑了正进行的医疗过程的严重性或紧急状态的协调器来执行。协调器仅在存在可用于到达医疗设备或传感器的其它替选路线的情况下才考虑强制休眠。
所提出的协议如下起作用。首先，(S10、S11)通常在下行链路上将信息从宿传送到设备A，并接着传送到设备B上。然而，进一步到设备C的传送不成功(S12)，从而在过程超时时导致漏掉确认(S14)。该漏掉确认触发设备B检查漏掉确认的累积次数(S15)。如果该累积次数超过了阈值(S16)，则设备B检查传送缓冲器中的数据是否也超过了阈值(S17)；如果是，则设备B向设备A发送(S18)稳定性位，其中设备A是在本发明的阐述中所提到的中继开始设备。然后，设备A增大其传送功率以 寻找替代链路(S19)并且定位设备C，跳过经由设备B的旧中继链路并且执行成功握手(S20)。传送在新的A-C链路上开始(S21)，并且在S22中，设备A向协调器发送故障设备ID。协调器通过如下步骤进行响应：在步骤S24和S25中，决定迫使设备B进入永久休眠并且经由设备A传送该命令，以及在步骤S23中，向中央监测单元发送具有设备B的ID的警报。
在第二实施例中，问题的解决方案使用定向天线。这里，为了节约传感器中的功率，建议采用定向天线而不是全向天线。另外，假设与前一实施例类似。
图15示出了用于描绘天线波瓣的、以图示为基础的事件链。图15a示出了WSN或其它短程网络的正常操作。在图15b中，设备B已变得不稳定。在图15c中，设备A尝试不同的天线位置以搜索替代的中间设备。在图15d中，已经经由设备G形成了新的路径。
图16和图17是相应传送图，其示出与之前相同的恢复方案但提供了方向改变的新路径而不是跳过故障设备B。因此，省略了这些图的进一步描述。唯一的区别在于，设备A具有定向天线能力，并且试图通过改变天线方向图并且使天线波瓣绕开不稳定设备到所设置的设备G来发现新的中继节点/设备。传送路径经由设备C继续，其中，跳数与恢复前相同。
以下描述表示上述信令协议如何可以适应于诸如IEEE 802.15.6的通信标准内，其中当前正基于IEEE 802.15.4开发IEEE 802.15.6。图18示出了对IEEE 802.15.4帧格式的包括用于表示中间设备的稳定性/不稳定性以及用于停止位的字段修改。在一些网络中，可省略停止位，并且例如，可以其他网络机构来替代，以由于任何设备不稳定性而采取动作。
在第一方法中，在帧中包括两个新的位用于控制字段：1.稳定性位：其也将被传感器用来通过利用零值来表示传感器稳定性状态；2.强制休眠，其将被用来迫使不稳定设备进入不活动或休眠模式。一旦接收到值“1”，设备就会醒来，直至其接收到值“0”。在最小的变化中，可以使用休眠位的帧控制字段传送强制休眠的停止命令。这些位可以用于设置设备的不同休眠模式，因此，对于完全休眠模式，休眠位的一种配置可以是“00”。
传达信令的替选手段是使用MAC命令。图19示出具有MAC命令八位字节的位置的MAC帧的当前IEEE 802.15.4基本格式，并且图20 示出IEEE 802.15.4的当前命令帧标识符。
对于本发明的任何实施例，两个字段可用于“稳定性/不稳定性”和“强制休眠”。然而，强制休眠位可以是可选的。图21中示出了包括稳定性指示的适当MAC命令帧，图21示出如在图22中的命令帧标识符的修改表格中列出的适当命令帧标识符，该适当命令帧标识符在MAC有效载荷中被发送。图21没有有效载荷，从而可以将命令帧标识符单独看作稳定性指示(在实际项中可能表明不稳定性)。在图21b所示的替选配置中，有效载荷可包括一个位。可以使用该有效载荷位(位＝0，不稳定；位＝1，稳定)来传递在稳定性或不稳定性方面的状态/状态改变。替选地，可以提供多于一个位，从而给出如上所述的稳定性等级的范围并且因而允许传递不稳定性的严重性。
类似的命令帧可以用于“强制休眠”，但是不具有有效载荷或者具有可以具有一位或几位的有效载荷，从而除了简单的休眠命令之外，还可能在设备会重新尝试加入网络之前传递期望的休眠时间。
以上实施例可以被并入作为对IEEE 802.15.4的增强或者作为开发中的、要求所提出的特征的新标准(诸如，IEEE 802.15.6、BAN的标准)的组成部分。
本发明实施有几个重要特征，包括：
1.中继(中间)设备在NACK的次数和/或缓冲器中等待的数据的数量超过了预定阈值时对不稳定性的自我确定。
2.用于基于中继设备中的Ack计数器和传送数据缓冲器的、对等拓扑中的不稳定设备管理的信令协议。这些包括新的不稳定性指示符位和新的强制休眠控制位。
3.“强制休眠”机制，用于如果存在可用的其它替选路线，则响应于医疗应用的危急程度而迫使不稳定设备休眠。
本发明实施例包括在每个设备内提供自我不稳定性确认机制，以由设备自身估计设备的稳定性，从而通过为不稳定设备提供有效的和早期的先发制人报警和响应机制，使得先发制人的方法减小由于不稳定性条件而导致的对多跳BAN/WSN中的无线通信链路的中断以及丢包率的减小的概率。
本发明可采取新颖的传感器、协调器、中央监测单元或者用于这些的硬件模块的形式，并且可以通过替换或修改由传感器和/或协调器和/或中 央监测单元的处理器执行的软件来实现。
因此，本发明的实施例可以以硬件或者作为在一个或多个处理器上运行的软件模块、或者它们的组合来实现。本发明也可被实现为用于执行这里描述的任意技术的部分或全部的一个或多个设备或者设备程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。实现本发明的这种程序可存储在计算机可读介质上，或者可以例如为一个或多个信号的形式。这样的信号可以是可从因特网网站下载的、或者可以在载波信号上提供的、或者为任何其它形式的数据信号。
尽管以上描述参考了作为示例的IEEE 802.15.4和IEEE 802.15.6，但是本发明可应用于任何类型的MBAN，而不管是否根据IEEE 802.15.6工作，以及应用于其它类型的BAN和其它短程WSN，即使它们不是医疗身体局域网，但是在紧急情形下仍需要改进的通信可靠性。

Claims (14)

1.一种设备的无线网络，包括中继开始设备、中间设备以及中继结束设备，其中，在使用时，经由所述中间设备在所述中继开始设备与所述中继结束设备之间无线地传递信息，其中：
所述中间设备包括控制装置和传送装置，所述控制装置可操作用于使所述中间设备的所述传送装置传送根据所述中间设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示；以及
所述网络包括判定装置，所述判定装置可操作用于在接收到所述连接稳定性指示时将所述连接稳定性指示纳入考虑，以确定是否向所述中间设备传送停止或休眠命令，从而使得所述中间设备停止传送和接收。
2.根据权利要求1所述的无线网络，其中，所述连接稳定性指示是传送帧中的一个或多个比特，所述一个或多个比特在被设置为一个或多个预定值时，表示所述中间设备的稳定性程度。
3.根据权利要求1所述的无线网络，其中，确认信息的传送，并且其中，一个连接稳定性参数是所述中间设备期待但未接收到的传送的漏掉确认的累积次数。
4.根据权利要求1所述的无线网络，其中，所述中间设备还包括保存等待传送的信息的传送缓冲器，并且一个连接稳定性参数是在所述传送缓冲器中等待的信息量。
5.根据权利要求1所述的无线网络，其中，一个连接稳定性参数是所述中间设备丢掉的数据包的数量。
6.根据权利要求1所述的无线网络，其中，所述判定装置将其它因素纳入考虑。
7.根据权利要求6所述的无线网络，其中，所述其它因素为避开所述中间设备的替选路线的可用性和/或正进行的传送的紧急状态。
8.根据权利要求1所述的无线网络，还包括可操作用于建立避开所述中间设备的替选路线的重连装置。
9.根据权利要求8所述的无线网络，其中，使用绕开所述中间设备的新传送模式建立所述替选路线。
10.根据权利要求8或9所述的无线网络，其中，所述重连装置包括所述中继开始设备中的控制装置和所述替选路线上的替代所述中间设备的另一设备中的控制装置，二者可一起操作用于建立新连接。
11.根据权利要求1-9中任一项所述的无线网络，其中，所述中继开始设备可操作用于向协调器传送中间设备标识，并且所述停止命令被从所述协调器传送到所述中继开始设备。
12.根据权利要求1-9中任一项所述的无线网络，还包括报警装置，所述报警装置可操作用于根据所述连接稳定性指示，警告外部实体注意所述中间设备的不稳定性。
13.一种在设备的无线网络中使用的中间设备，所述设备的无线网络包括中继开始设备、所述中间设备以及中继结束设备，其中，在使用时，经由所述中间设备在所述中继开始设备与所述中继结束设备之间无线地传递信息，所述中间设备包括：
传送装置；
接收装置；以及
控制装置，可操作用于控制所述中间设备；其中
所述控制装置可操作用于使得所述传送装置传送根据所述中间设备的至少一个连接稳定性参数的连接稳定性指示；其中
所述接收装置可操作用于从所述无线网络中的判定装置接收停止或休眠命令，以及所述控制装置可操作用于使所述中间设备在接收到所述停止或休眠命令时停止传送和接收。
14.一种设备的无线网络中的协调器，所述设备的无线网络至少包括所述协调器、中间设备以及中继结束设备，其中，在使用时，经由所述中间设备在所述协调器与所述中继结束设备中间无线地传递信息，其中，所述协调器包括：
接收装置，可操作用于从所述中间设备接收所述中间设备的连接稳定性指示；
判定装置，可操作用于在接收到所述连接稳定性指示时将所述连接稳定性指示纳入考虑，以判定是否向所述中间设备传送停止命令，从而使得所述中间设备停止传送和接收。
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