CN104349493B - 随机接入方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种随机接入方法，该方法中终端节点根据最小传输帧长F_min，来判断当前接入阶段内的剩余时间是否可以传输一个MAC帧，并在获得竞争分配后根据最优传输帧长F_opt来确定所传输的MAC帧长度。采用本发明可以充分利用可用的资源进行传输，提高资源的利用率和传输效率。

Description

随机接入方法

技术领域

本发明涉及无线体域网通信技术，特别是涉及一种随机接入方法。

背景技术

随着我国城市化进程与人口老龄化的加剧，老年病和慢性病越来越普遍，除了给患者和社会带来沉重的经济负担外，还严重影响了患者的生活品质和家庭幸福。无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）的出现，为老年病和慢性病的居家健康监测提供了一种简单、低成本的短距离通信手段。基于WBAN技术，通过在人体体表或者体内布置相应的传感设备自动采集人体心电、脑电、肌电、体温、血压、血糖、血氧等生命体征参数，支持实时、方便、全天候的人体生命体征监测。无线体域网技术已经成为提升医疗诊断效率、提高医疗服务质量，开展新型远程医疗、居家健康监护重要技术手段。

面对无线体域网技术的重要作用和庞大的市场需求，无线体域网技术迫切需要开展标准化工作，实现人体体征健康信息规范化管理，推动体域网技术的大规模应用。作为“人体”传感网，WBAN已经成为国际医疗保健界和通信业界一个战略合作科研攻关方向。IEEE802.15于2007年成立了TG6小组，开展WBAN的标准化研究，并于2012年3发布了世界上首个WBAN标准——IEEE802.15.6，成为目前已经发布的唯一的无线体域网国际标准。IEEE802.15.6标准定义了无线体域网传输的物理（PHY）层和媒质接入控制（MAC）层协议，基本满足了无线体域网的要求。在国内，中国通信标准化协会（CCSA）也于2012年11月通过了研究立项“适用于医疗健康应用的无线体域网通信技术要求”，目标是制定适用于我国医疗健康应用频段、应用需求的体域网标准。从国内外的研究来看，目前WBAN还有很大的研究空间和价值，未来WBAN标准的实用化和产业化的研究还有大量工作要做。

一种典型的无线体域网网络拓扑结构如图1所示。该无线体域网具有星型网络拓扑结构，其中有且只有一个中心节点，负责管理多个终端节点的接入，协调无线资源的分配。无线体域网中终端节点的数目可以是0到最大值之间的任意值，IEEE802.15.6标准规定一个体域网中的终端节点数目的最大值是256。中心节点和终端节点之间以1跳（1-Hop）链路直接进行帧传输。

在无线体域网中，终端节点通常是布置在人体表面的穿戴式健康监测设备，或者是布置在人体内部的植入式健康监测设备，终端节点实时采集到人体生命体征数据后发送到中心节点，中心节点再将数据转发到监测终端或医疗数据库，供患者自己或医生/医护人员查看。健康监测数据对准确性和实时性的要求很高，需要合理设计终端节点的接入方法，提高健康监测数据传输的可靠性，减少传输时延。

在IEEE802.15.6无线体域网中，定义了多种接入方式：调度接入（ScheduledAccess）、即时调度（Improvised Access）和随机接入（Random Access）。调度接入适用于周期性、数据量恒定的业务；即时调度可以作为调度接入的补充接入方式，为突发的业务分配更多的资源；随机接入适用于具有突发特性的上行业务。随机接入采用带冲突避免的载波侦听多址接入（CSMA/CA）方式，终端节点只能在没有其他用户正在传输数据的无线信道上发送数据。在IEEE802.15.6标准中定义的随机接入流程中，终端节点维护两个参数：竞争窗（Contention Window，CW）和回退（back-off）计数器，对随机接入过程进行控制。CW是一个介于[CWmin,CWmax]之间的变量，用于生成back-off计数器。back-off计数器用于控制终端节点的接入，当back-off计数器减为0的时候，终端节点就获得了一个竞争分配，在竞争分配内可以发送数据。

在随机接入过程开始后，终端节点首先设置CW的初始值。在不同的场景下，CW的值设置不同，CW值的设置准则如下：

1）如果终端节点之前从来没有获得过竞争分配，那么将CW的值设置为CWmin。

2）如果终端节点在上一次获得的竞争分配内传输成功，即收到了关于上一次发送帧的I-Ack或B-Ack确认帧，那么将CW的值设置为CWmin。

3）如果终端节点在上一次竞争分配内发送了一个不需要确认的帧，或者发送了一个需要L-Ack、G-Ack的帧，CW的值保持不变。

4）如果终端节点在上一次获得的竞争分配内传输失败，即没有收到关于上次发送帧的确认，

(a)如果这是第m次连续传输失败，并且m是奇数，那么CW的值不变；

(b)如果这是第n次连续传输失败，并且n是偶数，那么CW的值加倍。

5)如果对CW值的加倍使得CW的值超过了CWmax，终端节点将CW的值设置为CWmax。

设置完了CW的初始值后，终端节点生成一个在[1,CW]的范围内均匀分布的整数随机数，并将该整数随机数赋值给back-off计数器。对于优先级为1-6的业务，在随机接入阶段（RAP）或竞争接入阶段（CAP）内，终端节点在每个CSMA时隙（slot）开始的时刻，计算该时隙结束时刻与当前接入阶段的结束时刻之间的时间是否足够传输一个帧，如果不够，终端节点锁定back-off计数器，在当前接入阶段的剩余时间内不再尝试进行随机接入；如果足够，终端节点检测该时隙内无线信道是否空闲，如果信道空闲，那么将back-off计数器减1，如果信道繁忙，终端节点锁定back-off计数器，该时隙结束后back-off计数器的值不变。对于优先级为7的业务，终端节点可以在RAP、CAP和EAP内进行随机接入，方法与优先级为1-6业务的随机接入方法相同。下面以图2为例介绍无线体域网中的随机接入过程。

当上行数据到达后，终端节点首先设置CW的初始值。假设这是第一次发起随机接入，终端节点将CW的值设置为CWmin，假设为8，然后生成一个范围在[1,8]内均匀分布的随机整数，假设为3，并将该随机数的值赋给back-off计数器。经过三个时隙后，back-off计数器减为0，终端节点获得了一个竞争分配，并在这个竞争分配内发送了一个帧F1，占用的时间是Tf。但是，终端节点没有如期收到中心节点关于F1帧的确认，因为这是第1次（奇数）竞争接入失败，所以在F1帧结束后，CW的值不变，终端节点重新生成back-off计数器的值并锁定，假设为5。在CAP内，经过3个时隙后，back-off计数器的值减为2，但由于第四个时隙的结束时刻与CAP的结束时刻之间的时间小于发送一个帧的时间Tf，所以back-off计数器锁定，直到RAP2的开始时刻。在RAP2内，经过2个时隙后，back-off计数器的值减为0，终端节点获得了一个竞争分配并发送了一个F1帧，但是第2次（偶数）发送失败，所以在F1帧结束时刻CW的值加倍为16，终端节点在[1,16]的范围内再次生成一个均匀分布的随机整数，假设为8。经过8个时隙后，back-off计数器的值减为0，终端节点获得竞争分配后发送F1帧成功。至此，通过随机接入发送一个帧的过程结束，终端节点发送后续数据时执行类似的随机接入过程。

IEEE802.15.6标准中定义的MAC帧结构如图3所示。MAC帧结构由3部分构成，MAC帧头（Header）、MAC帧体（Frame Body）和帧校验序列（FCS）。其中，MAC Header和FCS的长度是固定的9个字节，不包含任何信息比特，MAC Frame Body的长度范围是0～255字节，包含信息比特。因此，MAC帧的长度范围是9～264字节，并且长度是可变的。

根据链路自适应理论，存在一个最优的MAC帧长度F_opt，能够实现传输可靠性和效率之间的折中。在现有的随机接入过程中，终端节点在判断当前时隙结束时刻与接入阶段结束时刻之间的时间是否足够传输一个MAC帧的时候，如果根据固定长度的MAC帧和数据速率计算传输该帧所需的时间，将会导致资源浪费，并且会增加传输时延。例如，假设接入阶段内剩余时间是20ms，传输长度为F_opt的MAC帧需要25ms，那么终端节点无法利用这段时间，20ms的剩余时间就被浪费了。终端节点最快也只能在下一个接入阶段发送这个帧，因此传输时延也增加了。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种随机接入方法，该方法可有效提高传输资源利用率，提高传输效率。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种随机接入的方法，包括：

a、终端节点设置当前接入阶段的竞争窗初始值，根据该竞争窗初始值设置回退计数器初始值，并锁定该回退计数器；

b、在当前时隙的开始时刻，所述终端节点判断当前接入阶段内的剩余时间是否足够发送长度为预设的最小传输帧长F_min的MAC帧，如果足够，则解锁所述回退计数器，执行步骤c，否则，锁定所述回退计数器，停止在当前接入阶段内的随机接入过程；

c、所述终端节点检测当前时隙内信道是否被占用，如果信道空闲，则所述回退计数器的值减一，执行步骤d，否则，锁定所述回退计数器，在下一时隙的起始时刻执行所述步骤b；

d、所述终端节点判断所述回退计数器的值是否为零，如果不为零，则在下一时隙的起始时刻执行所述步骤b；如果为零，则判断当前接入阶段内的剩余时间是否足够发送长度为预设的最优传输帧长F_opt的MAC帧，如果足够，则发送长度为所述F_opt的MAC帧，否则，计算所述剩余时间内能够发送的最大MAC帧长度L_max，并发送长度为所述长度为L_max的MAC帧，其中，所述最优传输MAC帧长F_opt大于等于所述最小传输MAC帧长F_min。

综上所述，本发明提出的随机接入方法，终端节点根据最小传输帧长F_min，来判断当前接入阶段内的剩余时间是否可以传输一个MAC帧，在获得竞争分配后，根据最优传输帧长F_opt来确定所传输的MAC帧长度，如此，可以充分利用可用的资源进行传输，提高资源的利用率和传输效率。

附图说明

图1为星型无线体域网拓扑结构示意图；

图2为随机接入过程示意图；

图3为MAC帧结构示意图；

图4为本发明实施例一的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

本发明的核心思想是：在随机接入时，终端节点在计算接入阶段内的剩余时间是否足够传输一个MAC帧的时候，采用最小的MAC帧长度值进行计算，而在获得竞争接入后进行帧传输的时候，则采用最优化的MAC帧长度值进行计算，以充分利用可用的资源进行传输，从而可以提高资源的利用率和传输效率。

图4为本发明实施例一的流程示意图，如图4所示，该实施例主要包括：

步骤401、终端节点设置当前接入阶段的竞争窗初始值，根据该竞争窗初始值设置回退计数器初始值，并锁定该回退计数器。

本步骤中，设置竞争窗初始值的具体方法同现有系统，在此不再赘述。

较佳的，本步骤中可以采用下述方法根据该竞争窗初始值设置回退计数器初始值：

在[1,CW]范围内生成一个均匀分布的整数随机数，将随机数赋值给所述回退计数器，其中，CW为所述竞争窗初始值。

步骤402～404、在当前时隙的开始时刻，所述终端节点判断当前接入阶段内的剩余时间是否足够发送长度为预设的最小传输帧长F_min的MAC帧，如果足够，则解锁所述回退计数器，执行步骤405，否则，锁定所述回退计数器，停止在当前接入阶段内的随机接入过程。

这里，所述当前接入阶段内的剩余时间即当前时隙结束时刻与当前接入阶段结束时刻之间的时间长度。

本步骤中，与现有方法所不同的是，需要根据预先设置的最小传输MAC帧长F_min，而不是最优传输MAC帧长F_opt，来确定当前接入阶段内的剩余时间是否可以满足传输的需要，以尽可能的进行数据传输。

在实际应用中，该最小传输MAC帧长F_min将不大于最优传输MAC帧长F_opt。具体地，对于数据量大的业务如视频等，可设置的大些，对于小数据量的包可以设置的小些，F_min设置的过大，对资源充分利用的效果小，设置的过小，会影响数据传输效率，本领域技术人员可以根据数据包的具体特征，基于上述策略通过仿真对最小传输MAC帧长F_min设置合适取值。

步骤405～408、所述终端节点检测当前时隙内信道是否被占用，如果信道空闲，则所述回退计数器的值减一，执行步骤408，否则，锁定所述回退计数器，在下一时隙的起始时刻执行所述步骤402。

步骤408～412、所述终端节点判断所述计数器的值是否为零，如果不为零，则在下一时隙的起始时刻执行所述步骤402；如果为零，则判断当前接入阶段内的剩余时间是否足够发送长度为预设的最优传输帧长F_opt的MAC帧，如果足够，则发送长度为所述F_opt的MAC帧，否则，计算所述剩余时间内能够发送的最大MAC帧长度L_max，并发送长度为所述L_max的MAC帧。

本步骤中，在计数器为零时，即获得竞争分配时，需要根据剩余时间来设置合适的传输MAC帧长，即优先考虑按照最优传输MAC帧长进行发送，否则尽量选择最大长度的可发送MAC帧长进行发送，从而可以最大程度的利用系统资源。

较佳地，本步骤中可以采用下述方法计算所述剩余时间内能够发送的最大MAC帧长度L_max：

终端节点按照计算在所述剩余时间内能够发送的最大MAC帧长度L_max，其中表示向下取整函数；P_PHY为物理层开销；所述T为所述剩余时间T，所述R为物理层数据传输速率。

上述技术方案实现的竞争接入过程中，引入了最小MAC帧长度参数F_min（F_min<=F_opt），目的是保证一定的传输效率。在MAC帧结构中，开销占9个字节，如果MAC FrameBody的长度是1个字节，MAC层数据传输效率只有10%，如果MAC Frame Body长度是100字节，MAC层数据传输效率为92%。引入了F_min参数后，MAC层数据传输效率最少为(F_min-9)/F_min×100%。当前接入阶段的剩余时间内足够发送长度为F_min的MAC帧，但是不足以发送长度为F_opt的MAC帧的时候，终端节点利用剩余时间T以及传输速率R计算在剩余时间内能够发送的最大帧长度。

较佳地，考虑到重传数据不能进行MAC帧长自适应了，长度必须跟初传一致。也就是说，如果发送的是重传数据帧，重传数据帧的内容与初次发送数据帧的内容相同，长度也相同。这样，在竞争接入过程中，终端节点利用初传数据帧的长度值计算接入阶段内的剩余时间是否足够发送这个重传数据帧，通过将F_min与F_opt设置成相等的值，可以采用与本发明相同的随机接入流程。即上述方案可以进一步包括下述步骤：

当当前接入阶段需要传输的MAC帧为重传数据时，所述F_min和所述F_opt均等于该重传数据初传时的MAC帧帧长。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种随机接入的方法，其特征在于，包括：

a、终端节点设置当前接入阶段的竞争窗初始值，根据该竞争窗初始值设置回退计数器初始值，并锁定该回退计数器；

b、在当前时隙的开始时刻，所述终端节点判断当前接入阶段内的剩余时间是否足够发送长度为预设的最小传输帧长F_min的MAC帧，如果足够，则解锁所述回退计数器，执行步骤c，否则，锁定所述回退计数器，停止在当前接入阶段内的随机接入过程；

c、所述终端节点检测当前时隙内信道是否被占用，如果信道空闲，则所述回退计数器的值减一，执行步骤d，否则，锁定所述回退计数器，在下一时隙的起始时刻执行所述步骤b；

d、所述终端节点判断所述回退计数器的值是否为零，如果不为零，则在下一时隙的起始时刻执行所述步骤b；如果为零，则判断当前接入阶段内的剩余时间是否足够发送长度为预设的最优传输帧长F_opt的MAC帧，如果足够，则发送长度为所述F_opt的MAC帧，否则，计算所述剩余时间内能够发送的最大MAC帧长度L_max，并发送长度为所述长度为L_max的MAC帧，其中，所述最优传输MAC帧长F_opt大于等于所述最小传输MAC帧长F_min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中所述根据该竞争窗初始值设置回退计数器初始值为：

在[1,CW]范围内生成一个均匀分布的整数随机数，将随机数赋值给所述回退计数器，其中，CW为所述竞争窗初始值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤d中所述计算所述剩余时间内能够发送的最大帧长度L_max为：

所述终端节点按照计算在所述剩余时间内能够发送的最大MAC帧长度L_max，其中表示向下取整函数；P_PHY为物理层开销；所述T为所述剩余时间，所述R为物理层数据传输速率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

当当前接入阶段需要传输的MAC帧为重传数据时，所述F_min和所述F_opt均等于该重传数据初传时的MAC帧帧长。