CN103200132B - 一种实时任务调度的医疗体域网mac接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明是在DQ‑MAC方案的基础上，通过引入模糊逻辑优先算法，提出了一种实时任务调度的MAC层设计方案。该方案通过对原有的超帧结构进行改进，并在DQRAP系统模型中引入模糊逻辑优先算法的反馈机制，根据节点和网络的实际情况动态地调整网络中节点的传输顺序，提高网络的服务质量，满足医疗体域网的实际应用要求。

Description

一种实时任务调度的医疗体域网MAC接入方法

技术领域

本发明涉及无线体域网领域，尤其涉及医疗体域网。

背景技术

医疗体域网是从无线体域网的概念中衍生出来的，顾名思义就是指无线体域网中有关医疗保健领域的通信网络,其概念最早是在2010年7月份由IEEE 802.15 WPAN TG4j小组提出。无线体域网就是指以人体为中心，由与人体相关的各种网络元素组成的通信网络，这些网络元素包含个人终端，分布在人体上及人体周围一定距离范围甚至人体内部的传感器、组网设备等，能够满足包括医疗保健、电子产品和个人休闲娱乐的需求。无线体域网的典型场景如图1所示。与人们熟知的无线个域网相比，无线体域网相当于其的一个衍生和细化，着重关注的是人体周围的通信网络。

医疗体域网MAC层的主要职责是通过调度数据和避免冲突来协调信道接入，保证系统在允许的时延范围内能够最大化网络的吞吐率，同时最小化网络的能量消耗，即设计需要兼顾能耗和服务质量两方面的考虑。传统的MAC层设计方案大都是基于竞争的，通过减少空闲侦听、冲突或协议开销来降低网络能耗。随着网络中节点数目的增加，MAC层需要处理大量的数据冲突，因此网络的吞吐效率和能耗性能将会显著降低，从而影响系统的整体性能。

分布式队列随机接入协议则摒弃了传统的退避和竞争机制，通过引入微时隙来避免数据冲突，从而更好的调度数据传输，在保证稳定的前提下，使用三个微时隙就可以获得接近理想吞吐率的性能。而与此同时，由于医疗体域网场景内的节点具有不同的重要程度，因此需要根据传感器节点的类型和相应的参数变化反馈信息，对网络内的数据传输进行动态调度和控制，快速自适应地选择不同的传输方法，在保证服务质量的前提下最大化的降低网络能耗，提高网络的整体性能，更好的为医疗体域网服务。

Otal等人的DQ-MAC方案，使用DQRAP技术，设计新型的MAC层解决方案，通过避免冲突来减少网络的单位比特能量消耗。

DQ-MAC使用接入微时隙和数据时隙来分别传输接入请求和无冲突数据。在DQ-MAC中，网络内的每个节点需要维护两个分布式队列：数据传输队列DTQ(Data Transmission Queue)和 冲突解决队列CRQ(Collision Resolution Queue)，分别用来记录当前的节点状态。令|TQ(t)|和|RQ(t)|分别为第t个时间单元内DTQ和CRQ的长度，另外定义F_j,j＝1,2,…m为第j个接入微时隙的反馈，节点根据反馈调整队列状态。具体的队列系统模型如图2所示，由队列冲突解决子系统和数据传输子系统两部分组成。

因此，DQ-MAC有三个工作规则，分别为数据传输规则DTR(Data Transmission Rules)，请求传输规则RTR(Request Transmission Rules)和排队等待规则QDR(Queuing Discipline Rules)，其具体工作方式如下：

(1)数据传输规则

1)若|TQ(t)|＝0且|RQ(t)|＝0，则当前有数据发送的节点可以从t时刻开始在数据时隙内发送数据。

2)若|TQ(t)|>0，则位于DTQ最前端的节点可以从t时刻开始在数据时隙内发送数据。

(2)请求传输规则

1)若|RQ(t)|＝0，则当前有消息需要发送的节点可以在t时刻发送接入请求。

2)若|RQ(t)|>0，则位于CRQ最前端的节点可以在t时刻发送接入请求。

(3)排队等待规则

1)在t时刻每成功收到一个F_j,j＝1,2,…m，则所有节点的|TQ(t)|加1。

2)若在t-1时刻有数据成功发送，则所有节点的|TQ(t)|减1。

3)若|RQ(t)|＝0，则所有节点的|RQ(t)|加n，n为t时刻发生冲突的微时隙数量。

4)若|RQ(t)|>0，则所有节点的|RQ(t)|加n-1，n为t时刻发生冲突的微时隙数量。

5)所有发送数据和接入请求的节点都明确知道自己在TQ和RQ中的位置，并能够根据位置信息来选择合适的时间发送数据和接入请求。

因此，根据上述介绍的DQ-MAC的工作规则，设计的MAC层方案超帧结构如图2所示，其中CAP(Contention Access Period)和CFP(Contention-Free Period)分别用于传输接入请求和无冲突数据。从图3中可以看出，普通节点与协调器进行通信(即图中的上行部分)由以下两部分组成：

1)接入微时隙：个数为m，每个接入请求序列长度为T_ARS，用于处理节点的接入请求，相当于DQRAP中的冲突解决队列。

2)数据时隙：长度为T_DATA，是数据传输队列中优先微时隙之后的部分，节点在此期间进行无冲突的数据传输。

而协调器与普通节点进行通信(即图中的下行部分)则由以下部分组成：

1)ACK确认帧：长度为T_ACK，用于数据包成功传输后的确认反馈。根据IEEE 802.15.4 标准，节点至多保留T_aw用来等待确认帧，否则默认传输失败。

2)同步报头Pr：长度为T_pr，负责接收冲突解决队列和数据传输队列的状态信息，用来保证网络同步。

3)反馈包FBP(Feedback Packet)：长度固定为T_FBP，携带网络的状态信息，包括QCR、数据包长度、调制编码方案。

DQ-MAC方案的工作流程如图4所示，具体介绍如下：

步骤1：节点开始初始化，接收协调器节点发送的FBP，分别更新CRQ和DTQ状态。判断CRQ是否为空，若CRQ不为空，则节点需要等待下一帧到来后再根据FBP信息进行CRQ判断，若CRQ为空，则继续步骤2。

步骤2：判断DTQ是否为空，若DTQ为空，则节点在当前时刻的数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输，若DTQ不为空，则继续步骤3。

步骤3：节点发送接入请求，接收FBP的同时查看接入微时隙状态，若该节点与其它节点选择的接入微时隙冲突，则需要等待下一帧到来后接收FBP，并再次进行步骤3，若该节点与其它节点选择的接入微时隙无冲突，则继续步骤4。

步骤4：节点接收FBP，并判断其在DTQ中的位置是否位于最前端，若为最前端，则直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输；若不为最前端，则节点需等待下一帧到来，并转到步骤4。

上述DQ-MAC方案虽然在一定程度上能够降低网络的能量消耗，但是其在面对医疗体域网的具体应用场景时，存在以下缺点：

1)在DQ-MAC方案中，节点按照先到先服务(FIFS)的规则入队，这虽然在一定程度上保证了网络中各个节点的公平性，但是却无法根据节点的实际变化情况对节点的传输顺序做出合理的调整(实时)，这就势必会导致网络的实际服务质量下降。

2)在DQ-MAC方案中，没有考虑到节点之间的相对重要程度，即在开始通信前，网络中每个节点的优先级是不同的，因此有必要在传输时对不同优先级的节点进行分别考虑。除此之外，节点在网络中的实时变化情况也影响着节点的传输情况，诸如节点的剩余能量，节点的缓存区剩余大小等，这些影响网络服务质量的已知和未知的情况在DQ-MAC方案中都没有涉及。

发明内容

本发明提出了一种实时任务调度的医疗体域网MAC接入方法，包括以下步骤：

步骤1：节点开始初始化，接收协调器发送的反馈包FBP，更新冲突解决队列CRQ和数据传输队列DTQ状态，判断CRQ是否为空，若CRQ不为空，则节点需要等待下一帧到来后再根据FBP信息进行CRQ判断，若CRQ为空，则继续步骤2；

步骤2：所述节点判断DTQ是否为空，若DTQ为空，则节点在当前时刻的数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输，若DTQ不为空，则继续步骤3；

步骤3：所述节点向所述协调器发送接入请求，接收FBP的同时查看接入微时隙状态，若该节点与其它节点选择的接入微时隙冲突，则需要等待下一帧到来后接收FBP，并再次转到步骤3，若该节点与其它节点选择的接入微时隙无冲突，则继续步骤4；

步骤4：所述节点接收FBP，并判断其在DTQ中的位置是否位于最前端，若为最前端，则直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输；若不为最前端，则需要通过模糊逻辑优先算法进行决策，将结果发送给优先微时隙，接收FBP，更新CRQ和DTQ状态，继续步骤5；

步骤5：所述节点根据优先判决结果判断是否需要优先传输，如果不允许节点优先传输，则节点需等待下一帧到来，并转到步骤4；如果允许节点优先传,则节点直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输。

本发明在DQ-MAC方案的基础上，对它的调度算法进行优化和改进。为了动态控制网络中的节点传输顺序，需要对数据传输队列进行重新调度和分配，通过模糊逻辑优先算法得到符合要求的队列传输顺序，具体的队列系统模型如图4所示。本发明在DQ-MAC方案的基础上，通过引入模糊逻辑的思想，设计新型的实时任务调度的医疗体域网MAC层方案。该方案可以根据医疗体域网的不同应用需求对网络内的数据传输进行动态调度，快速自适应地选择不同的传输方法，在保证服务质量的前提下最大化的降低网络能耗，提高网络的整体性能，更好的为医疗体域网服务。

附图说明

图1为典型的无线体域网场景图；

图2为DQ-MAC方案的队列系统模型；

图3为DQ-MAC方案的超帧结构；

图4为DQ-MAC方案的工作流程；

图5为医疗体域网具体场景的拓扑结构描述；

图6为实时任务调度的医疗体域网MAC层超帧结构；

图7为实时任务调度的医疗体域网队列系统模型；

图8为模糊逻辑优先算法推理过程；

图9为实时任务调度的医疗体域网MAC层工作流程图。

具体实施例

本发明的应用场景如图5所示，为了实现实时任务调度的MAC层功能，本发明有以下几个部分组成：

(1)超帧结构

在DQ-MAC协议的基础上，考虑加入相应的参数变化反馈信息，使用模糊逻辑的概念表示，设计如图6所示的符合医疗体域网要求的MAC层超帧结构。该超帧结构支持星型拓扑结构的医疗体域网，CAP和CFP分别用于传输接入请求和无冲突数据，其中CFP部分的前端加入相应的优先微时隙，用来根据反馈信息动态调度数据传输。

从图6可以看出，普通节点与协调器进行通信(即图中的上行部分)由CAP和CFP两部分组成，其又可以分为以下部分：

1)接入微时隙：个数为m，每个接入请求序列长度为T_ARS，用于处理节点的接入请求，相当于DQRAP中的冲突解决队列。

2)优先微时隙：个数为n，每个微时隙长度为T_prio，位于数据传输队列最前端，用于处理节点的优先传输请求。

3)数据时隙：长度为T_DATA，是数据传输队列中优先微时隙之后的部分，节点在此期间进行无冲突的数据传输。

而协调器与普通节点进行通信(即图中的下行部分)则由以下部分组成：

1)ACK确认帧：长度为T_ACK，用于数据包成功传输后的确认反馈。根据IEEE 802.15.4标准，节点至多保留T_aw用来等待确认帧，否则默认传输失败。

2)同步报头Pr：长度为T_pr，负责接收冲突解决队列和数据传输队列的状态，用来保证网络的同步。

3)反馈包FBP：长度固定为T_FBP，携带网络的状态信息，包括QCR、数据包长度、调制编码方案MCS以及用于优先传输判断的P字段。

值得说明的是，协调器使用P字段通知网络中的普通节点模糊逻辑优先算法的结果，即P字段相当于一个整数计数器，代表DTQ中需要优先传输的节点的位置信息，此节点将在下一个数据时隙内优先发送数据。有时可能不止一个节点同时请求进行优先传输，为了保证这些节点的公平性，协调器会选择相对位置靠前的节点。若P字段为空，则表明没有节点请求优先传输，网络将按照DQRAP的规则进行正常传输。

(2)模糊逻辑优先算法

医疗体域网中的节点自身具有不同的属性和状态，为了将这些属性状态综合起来共同决 定节点的传输规则，在此引入模糊逻辑的决策方法。传统的DQRAP队列系统模型如图2所示，虽然在一定程度上保证了网络中各节点的公平性，但是却并不能有效的保证医疗体域网的服务质量。为了动态控制网络中的节点传输顺序，需要对数据传输队列进行重新调度和分配，通过模糊逻辑优先算法得到符合要求的队列传输顺序，具体的队列系统模型如图7所示。

BSN-MAC中协调器利用节点的反馈信息来控制传输，我们将这些反馈信息分别提取出来，利用模糊逻辑的概念组合起来进行映射，通过输出结果来控制节点的传输。因此，在进行模糊逻辑优先算法设计时，模糊器的输入变量及相应的语言变量为：

1)节点的优先级，用PN表示，且PN∈{高优先级，中优先级，低优先级}；

2)节点剩余缓冲区大小，用BF表示，且BF∈{空间充足，空间适中，空间不足}；

3)节点剩余能量，用RE表示，且RE∈{能量充足，能量适中，能量不足}。

模糊输出变量为决策结果Result∈{优先传输，正常传输}，模糊推理过程可以由模糊关联存储矩阵表示，如图8所示，为一个3×3×3的矩阵。相应的模糊规则我们使用if-then语句，可以表示为：

$R^{\left(i\right)}:IF{\mathrm{PN}}_{i}is{a}_1^{i}and{\mathrm{BF}}_{i}is{a}_2^{i}and{\mathrm{RE}}_{i}is{a}_3^i$

THEN Re sult_i is cⁱ

其中aⁱ和cⁱ分别为相应的输入输出语言变量，R⁽ⁱ⁾为第i条模糊规则，根据图7可知共存在5条模糊规则：

1)如果PN＝高优先级、BF≠空间充足，那么输出结果为优先传输；

2)如果PN＝高优先级、BF＝空间充足、RE≠能量充足，那么输出结果为优先传输；

3)如果PN＝中优先级、BF＝空间不足，那么输出结果为优先传输；

4)如果PN＝中优先级、BF≠空间不足、RE＝能量充足，那么输出结果为优先传输；

5)如果PN＝低优先级、BF＝空间不足、RE＝能量不足，那么输出结果为优先传输。

(3)设计方案流程图

根据DQRAP的工作规则，结合之前介绍的超帧结构和模糊逻辑优先算法，实时任务调度的医疗体域网MAC层工作流程如图9所示，具体实现过程介绍如下：

步骤1：节点开始初始化，接收协调器发送的FBP，更新CRQ和DTQ状态。判断CRQ是否为空，若CRQ不为空，则节点需要等待下一帧到来后再根据FBP信息进行CRQ判断，若CRQ为空，则继续步骤2。

这里，每一个FBP里都会携带CRQ和DTQ队列的信息，而节点只有在当前CRQ队列为空的时候才能进行下一步，否则必须一直等待直到CRQ为空才行，判断的条件就是根据FBP里所携带的信息。因此节点通过周期性接收FBP来判断CRQ是否为空。

步骤2：判断DTQ是否为空，若DTQ为空，则节点在当前时刻的数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输，若DTQ不为空，则继续步骤3。

步骤3：节点发送接入请求，接收FBP的同时查看接入微时隙状态，若该节点与其它节点选择的接入微时隙冲突，则需要等待下一帧到来后接收FBP，并再次转到步骤3，若该节点与其它节点选择的接入微时隙无冲突，则继续步骤4。

步骤4：节点接收FBP，并判断其在DTQ中的位置是否位于最前端，若为最前端，则直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输；若不为最前端，则需要通过模糊逻辑优先算法进行决策，将结果发送给优先微时隙，接收FBP，更新CRQ和DTQ状态，继续步骤5。

步骤5：根据优先判决结果判断是否需要优先传输，如果允许节点优先传输，则节点直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输；如果不允许节点优先传输，则节点需等待下一帧到来，并转到步骤4。

本发明中采用的医疗体域网实时任务调度方案，也可以根据实际的应用场景需求，应用到其它应急事件突发数据优先需求的无线通信系统中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干可以预期的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种实时任务调度的医疗体域网MAC接入方法，包括以下步骤：

步骤1：节点开始初始化，接收协调器发送的反馈包FBP，更新冲突解决队列CRQ和数据传输队列DTQ状态，判断CRQ是否为空，若CRQ不为空，则节点需要等待下一帧到来后再根据FBP信息进行CRQ判断，若CRQ为空，则继续步骤2；

步骤2：所述节点判断DTQ是否为空，若DTQ为空，则节点在当前时刻的数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输，若DTQ不为空，则继续步骤3；

步骤3：所述节点向所述协调器发送接入请求，接收FBP的同时查看接入微时隙状态，若该节点与其它节点选择的接入微时隙冲突，则需要等待下一帧到来后接收FBP，并再次转到步骤3，若该节点与其它节点选择的接入微时隙无冲突，则继续步骤4；

步骤4：所述节点接收FBP，并判断其在DTQ中的位置是否位于最前端，若为最前端，则直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输；若不为最前端，则需要通过模糊逻辑优先算法进行决策，将结果发送给优先微时隙，接收FBP，更新CRQ和DTQ状态，继续步骤5；

所述模糊逻辑优先算法具体如下：

设计模糊器的输入变量及相应的语言变量为：

1)节点的优先级，用PN表示，且PN∈{高优先级，中优先级，低优先级}；

2)节点剩余缓冲区大小，用BF表示，且BF∈{空间充足，空间适中，空间不足}；

3)节点剩余能量，用RE表示，且RE∈{能量充足，能量适中，能量不足}；

模糊输出变量为决策结果Result∈{优先传输，正常传输}，相应的模糊规则使用if-then语句，表示为：

R⁽ⁱ⁾：IF PN_i is and BF_i is and RE_i is

THEN Result_i is cⁱ

其中aⁱ和cⁱ分别为相应的输入输出语言变量，R⁽ⁱ⁾为第i条模糊规则；

步骤5：所述节点根据优先判决结果判断是否需要优先传输，如果不允许节点优先传输，则节点需等待下一帧到来，并转到步骤4；如果允许节点优先传,则节点直接在数据时隙内完成数据包发送，得到确认帧完成此次传输。