CN103281794B - 体域网中紧急数据优先传输调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体域网中紧急数据优先传输调度方法，采集器节点将采集到的数据A_i与存储于该采集器节点的基准数据B_i进行比较，当集到的数据A_i处于正常范围时，作为正常数据转发给汇集器节点；否则，采集器节点在数据A_i的紧急字段内赋值，并作为紧急数据传递给汇集器节点；汇集器节点接收到各采集器节点发送来的数据计算紧急程度等级，并将该紧急程度等级存储到紧急字段中，簇头节点接收到汇集器节点发送来的数据包后进行调度，改变数据包的发送顺序，使紧急数据先传送到基站。通过在消息中设置紧急字段标志位，划分消息优先级队列，保证了紧急数据优先传输，有效减少了紧急数据的传输时延。本发明应用于医疗体域网相关领域。

Description

体域网中紧急数据优先传输调度方法

技术领域

本发明涉及基于无线通信传感器的体域网络，具体是体域网中紧急数据优先传输调度方法。

背景技术

体域网(Body Area Networks)是基于无线传感器网络的一种具有特殊应用的网络，它主要是由体积小而集成度高的穿戴在人身体上或植入到人体内的传感器节点，汇集器节点，簇头节点，基站等共同形成的一个无线网络。传感器节点负责监控人体的生命体征，连续不断地检测人体的生理参数并提供实时反馈。簇头节点负责汇聚汇集器节点的数据进行初步分析并转发，是体域网和外部公共网络之间执行数据调度、发送的器件。体域网不仅在解决医疗监护上有着重要作用而且在解决人口老龄化以及缓解医疗资源相对不足的情况有着重大的作用。

目前社会上普遍存在着看病难、看病贵，难以进行实时性监控以及偏远地区的医疗资源匮乏等问题。体域网作为一种新兴技术，能够有效地改善、缓解上述问题。通过体域网的构建可以有效地对病人进行监护，及时检测出病人的异常情况，为病人诊断争取宝贵时间，同时，还可以降低病人后续康复检查成本。随着体域网在一些关键技术以及服务开发方面的突破，它的应用前景将会更加广阔。

由于无线网络具有时延的特性导致体域网也面临着数据传输具有时延危害。随着信息化和传感器技术的发展，如何解决病人突发状况时产生的紧急信号传输的时延问题是电子医疗发展过程当中亟待解决的问题。网络的时延使得电子医疗等相关对数据实时监控的领域面临巨大挑战，其主要是由传输时延(发送时延)，传播时延，处理时延和排队时延所组成的。由于体域网在我国研究时间还比较短，传感器等技术尚处于发展阶段，在针对解决排队时延的调度算法上处理尚不完善，且容易被人们忽略。将无线网络的调度算法直接应用与体域网中会存在着许多问题：（1）传统的网络条件下一般采用单队列的先来先服务(FCFS)策略。但是，这种策略在实时性、公平性等方面存在明显的不足，没有对紧急数据进行区分，可能导致高危信号长时间排队等待，从而造成难以预料的后果。（2）目前在考虑优先级因素时常采用的策略是严格优先级调度算法（），它主要是通过划分多个优先级队列来对数据进行分组，并且只有当更高优先级的所有队列为空时才服务低优先级的队列。当系统每服务完一个队列时，都要先进行优先级的比较，对更高优先级的所有队列进行扫描，判断其是否为空，只有在更高优先级队列都为空的状态下才能服务下一个队列。这样就增大了系统的轮询时间，同时使得低优先级队列长期处于饥饿状态。假设系统在服务低优先级队列时有更高优先级的紧急信号传输过来，也需要等待系统将服务的队列全部发送完成之后才能检测到，没有很好的实时性。且在目前的技术中，如何对队列优先级进行合适的划分，还没有明确的界定，有些优先级高的队列可能常常为空，但是系统仍然每次轮询时都要对其进行检测，既浪费了时间，还造成了系统资源的浪费。

发明内容

本发明针对医疗服务系统中体域网的数据传输及调度过程仅需在现有的体域网体系中对一些节点系统进行改动，就可以减小紧急数据在网络传输过程中的时延，安全可靠且易于实现。本发明是基于无线网络的特性和体域网用户数据的特殊性，用可靠的数据调度策略提供了一种部署在医疗环境中能够保证用户的紧急数据优先传输的传输方案。在现有的体域网体系结构中易于实现，利用对调度算法的改进以及对紧急信号的标识，使得紧急信号的时延降低，从而使用户的紧急信号能够尽快传达到基站，保障了用户的生命安全。

本发明采用的技术方案如下：即一种体域网中紧急数据优先传输调度方法，包括紧急数据的紧急字段标记和数据调度处理步骤。其中紧急数据的紧急字段标记阶段：部署体域网中各层节点，包括采集器节点、汇集器节点、簇头节点和基站，采集器节点将采集到的数据与存储于该采集器节点的基准数据进行比较，当采集到的数据处于正常范围时，采集器节点不对数据的紧急字段进行操作，作为正常数据转发给汇集器节点；否则，采集器节点在数据的紧急字段内赋优先级，并作为紧急数据传递给汇集器节点；汇集器节点接收到各采集器节点发送来的数据，处理后计算紧急程度等级，并将该紧急程度等级存储到汇集器节点即将发送的数据包的紧急字段中；数据调度处理阶段：簇头节点接收到汇集器节点发送来的数据包后进行调度，改变包数据的发送顺序，使紧急数据先传送到基站。

部署体域网中采集器节点、汇集器节点（穿戴在人身体上或植入到人体内的传感器）和簇头节点，其中各采集器节点中预置有人体相应部位的正常生理参数值（即基准数据），用于对采集到的数据进行紧急性判断。本发明在簇头节点处使用了先来先服务（FCFS）策略和改进的折半插入排序算法，按照队列的不同而采用相应的算法。部署按照层次式结构，采集器节点和汇集器为第一层网络，网络中的簇头节点为第二层网络。这样的层次便于应用于实际生活中，也便于对其进行再次扩充。部署完成后，首先由检测人体生理参数的传感器节点采集数据，然后与该节点内置的正常生理参数值进行比较，判断是否为危急信号，并将病情严重度用数值表示，放置在传感器节点将发送的数据中，汇集器节点在接收到该病人身体各部位传感器发送的数据后，再按照特定算法计算出该病人病情的严重性作为该条数据的优先级，添加在数据报中。簇头节点在接收到汇集器节点发送的数据后，首先检测数据，判断其是否为紧急数据，然后将其放入与之对应的队列中，不同的队列按照各自的调度算法对数据进行排队发送。

最后高危病人的紧急数据就会优先发送到基站等待处理，降低了高危信号的排队时延，使得病人的突发异常状况能够尽早的检测出来，从而实现了对病人的实时监护。

本发明利用紧急数据标识和分队列调度发送时高危信号可以优先发送的特征，提供了一种有效的数据标识、调度方案。首先，该方法在第一层网络中就进行了数据的判断和优先级的计算，确定了汇集器发送的数据是否是紧急数据，避免了在终端进行大量的数据筛选和判断工作。其次，该方法将队列合理划分紧急和非紧急，相对于其他优先级划分的方法，大大减少了系统的轮询时间，同时也避免了多队列造成的系统资源浪费。最后，通过对数据的标识，使得紧急数据在体域网中能够尽快地发送，有效地减少了紧急数据在传输过程中的时延，更便于对病人进行实时监护，满足了医疗领域数据的及时可靠性，符合体域网的实际使用需求。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的层次模型；

图3为本发明所采用的数据报帧格式意图；

图4为本发明的数据传输流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的详细阐明。

如图1所示为本发明的系统结构图。其中包括：体域网采集器节点（传感器）及汇集器，负责对数据的采集和判断，例如脑电图、心电图、脉搏、血压等；簇头节点，包括数据处理模块和数据传输模块，负责对接收的数据进行处理和调度传输；基站终端，具有接收、处理等功能及多种业务接口。

如图2所示为基本的体域网的层次模型，结合图1，共分三层：汇集器层、簇头层、基站。其中汇集器层包含了具有采集和判断功能的采集器节点以及汇集传输数据的汇集器节点，并且在人身体各个部位的采集器节点内都存有相应部位的基准数据（即人体生理参数正常范围）和该部位的权值。由于环境等因素对测量的结果影响较大（如当人处于不同环境温度下,测量的体表温度差异较大），因此受外界影响越小的采集器节点的被赋予的权值越大（如脑电图的权值>脉搏的权值）。采集器节点存储数据的作用是使部署在人体各个部位的传感器在采集到数据后，首先和该节点的内置基准数据进行比较，判断采集到的数据是否超过正常范围，然后由配置在人身体上或身体附近的汇集器统一对数据进行处理和传输，以此来区分该信号的紧急程度等级。簇头层的簇头节点在接收到汇集器发送的数据后进行处理，然后按数据的紧急程度等级进行分类转发，从而减小紧急信号的排队时延。基站即接收数据的终端，主要是对接收到的数据进行解密、存储等一系列处理操作。

如图3所示为本发明所采用的数据报帧格式，根据网络协议规范以及草案对帧格式的定义，如原草案图中的帧格式中有4位保留字段没有使用，使用其中一位保留字段作为紧急字段，即图中所示的。部署在人体各个部位的传感器通过将采集到的数据与自身的基准数据进行比较，通过比较的结果来确定的数值。当的数值不为时，簇头节点的系统获知此报文段是紧急数据，应尽快传送（此时的数据根据大小来确定数据的优先级），将此数据放入紧急队列中排队发送；当检测到的值为时，表明传感器采集到的数据在正常范围内，则簇节点系统按照正常队列进行排队发送。

如图4所示为本发明的数据传输流程图，数据从采集到终端处理需要执行以下步骤：

步骤1，本发明中使用的是采用系统的传感器节点，首先向传感器节点的存储器中植入人体该部位的基准数据以及该节点的权值；步骤2，当传感器节点采集数据后，将采集到的数据和该节点中内置的基准数据进行比较，并进行相应的数据处理；步骤3，汇集器将各个传感器节点发送的数据统一进行加密，并将数据包传输到簇头层；步骤4，簇头负责接收数据包，通过判断紧急字段是否为，来确定其是否为紧急数据，正常数据进入步骤5，紧急数据则直接进入步骤6；步骤5，将正常数据放入正常队列中，发送的时间为时刻（其中，为消息进入汇集器的时刻；表示等待异常队列中紧急数据所发送的时间；表示等待正常队列中前面数据所发送的时间）后发送该数据；步骤6，将紧急数据放入紧急队列进行排序，确保高优先级的数据将最先被发送，紧急数据则在时刻（其中，为消息进入汇集器的时刻；表示等待异常数据前面数据所发送的时间）被发送；步骤7，基站接收数据，并对其进行相应的处理。

本发明的运行分为紧急数据的紧急字段标记和数据调度处理两个阶段，下面分别对这两个阶段进行阐述。

1.紧急数据的紧急字段标记过程，具体步骤为：

部署在人体各个部位的体域网采集器在收集人体数据时，将采集到的数据和存储在相应采集器节点的基准数据进行比对，当采集到的数据不在正常范围内时（即），计算优先级即（相应位置的权值），将优先级的值赋值给数据的紧急字段，即使得后，传输给汇集器节点，汇集器节点在接收到各采集器节点传出的数据后，将各采集器在身体各部位采集的数据的紧急字段相加得到该数据包的紧急程度等级，并将紧急程度等级的值赋给该簇头节点的紧急字段,即，然后发送到簇头节点。采集器节点中异常数据的格式为；正常数据的格式为（表示发送采集到的所有数据,i为用户身体的采集器编号）。

2.数据调度处理过程，具体步骤为：

当数据包进入簇头层系统中，簇头节点检测数据包中的紧急字段，并判断其是否为，如果为，表明该数据中的数据正常，由操作系统进行调度，将其放入正常队列中，采用先来先服务（）的调度策略，让队列中的数据按序发送。如果紧急字段不为，则其放入紧急数据队列中，按照以下调度策略，对所有数据根据优先级排序进行发送：在簇头节点每次只发送一条数据的情况下，将簇头节点下一个要发送数据的队列设为临界区域，从而实现资源的互斥和共享。在紧急数据队列进行调度时分以下两种情况进行讨论。

（1）当紧急数据队列不为空时，此时刚接收到的异常数据采用下列策略进行排序，即新数据进入紧急数据队列时，首先与排在紧急数据队列队首（即下一个将要发送的数据）的数据进行权值的比较（即比较数据的字段值大小），若新数据的值大于队首数据的值，则直接将该数据插入队首数据前，等待发送。若新数据的值小于等于队首数据的值，取紧急数据队列第个数据（为队列数据的总个数），即与进行比较，如果大于的值，即，则表明落在紧急数据队列的前半区，否则落在紧急数据队列的后半区。然后再按照半区间的队首到队尾的顺序依次比较数据的值直至（为半区间队列中数据的下标值）时，将数据 插入到数据队列位置前等待发送。

（2）当紧急数据队列中没有数据时，首先锁住临界资源，使得正常数据队列被阻塞，并优先发送紧急数据，直到紧急数据队列为空时，解锁，再继续发送正常数据。

Claims (8)

1.体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于包括：紧急数据的紧急字段标记阶段：部署体域网中各层节点，包括采集器节点、汇集器节点、簇头节点和基站，采集器节点将采集到的数据与存储于该采集器节点的基准数据进行比较，当采集到的数据处于正常范围时，采集器节点不对数据的紧急字段进行操作，作为正常数据转发给汇集器节点；否则，采集器节点在数据的紧急字段内赋优先级，并作为紧急数据传递给汇集器节点；汇集器节点接收到各采集器节点发送来的数据，处理后计算紧急程度等级，并将该紧急程度等级存储到汇集器节点即将发送的数据包的紧急字段中；

数据调度处理阶段：簇头节点接收到汇集器节点发送来的数据包后进行调度，采用先来先服务和改进的折半插入排序算法，改变包数据的发送顺序，使紧急数据先传送到基站。

2.根据权利要求1所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：所述采集器节点中存储有该采集器节点的基准数据以及权值，不同采集器节点的基准数据各不相同，受外界影响越小的采集器节点的权值越大。

3.根据权利要求1所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：所述采集器节点在数据的紧急字段内所赋优先级的计算方式为，为相应位置的权值，紧急数据的格式为，表示发送的数据，表示数据的紧急程度，当采集到的数据不在正常范围内时，否则即。

4.根据权利要求3所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：计算了汇集器节点的紧急程度等级，其具体公式为，表示优先级，n表示该汇集器节点下的采集器节点个数。

5.根据权利要求1所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：所述簇头节点进行调度时，首先判断数据包的紧急字段是否为NULL，如果是，则将其放入正常数据队列，采用先来先服务的调度策略进行调度；如果不是，则将其放入紧急数据队列，根据紧急队列的数据队列状况进行紧急数据调度。

6.根据权利要求5所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：簇头节点中紧急数据队列为空时，紧急数据调度的具体方式为：先锁住簇头节点下一个要发送数据的队列，即阻塞正常数据队列，发送紧急数据；等待紧急数据发送完毕后解锁正常数据队列，继续发送正常数据。

7.根据权利要求5所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：簇头节点中紧急数据队列不为空时，紧急数据调度的具体方式为：当新的紧急数据进入紧急数据队列时，首先与队首数据进行权值比较，若新数据的权值大于队首数据的权值，直接将插入队首，否则采用改进的折半插入排序算法继续进行比较，直到新数据的权值大于的权值且小于的权值时，将数据插入到 的队列位置前等待发送，为半区间队列中数据的下标值，指紧急数据队列中队首的数据， 指紧急数据队列中i位置处的数据，即新进入紧急数据队列中的数据，指紧急数据队列中j位置处的数据。

8.根据权利要求7所述体域网中紧急数据优先传输调度方法，其特征在于：所述改进的折半插入排序算法具体算法如下：当新数据的权值小于等于队首数据的权值时，取紧急数据队列第个数据，其中，为队列数据的总个数，若的权值大于的权值，落在紧急数据队列的前半区，否则落在紧急数据队列的后半区，然后再按照半区间的队首到队尾的顺序依次比较。