CN105656806A - 一种实现mac层接入的方法及传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现媒体访问控制(MAC)层接入的方法及传感器节点，包括传感器节点基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。通过本发明提供的技术方案，使得传感器节点在共享信道中更好地根据各节点队列中不同的数据业务量进行了发包数的动态调整，实时调整了数据包的发包数，实现了数据包较多的传感器节点能及时接入信道，高效利用了时隙资源，从而避免了不必要的控制开销的浪费，从而提高了全网吞吐量和减少传输时延。

Description

一种实现MAC层接入的方法及传感器节点

技术领域

本发明涉及无线体域网技术，尤指一种实现媒体访问控制(MAC)层接入的方法及传感器节点。

背景技术

在如今大数据时代的大背景下，一系列基于大数据的应用给工程、商业乃至医疗领域带来了新的挑战和机遇。在这场数据革命中，随着无线通信和半导体技术的快速发展，用于人体生理信息采集的无线传感器变得日益小巧实用，这使得无线传感器所采集到的人体生理信息呈现出爆炸式的增长。这些海量的非结构化数据给由各种适用于人体的传感器所组成的无线体域网带来了新的挑战。

无线体域网通常由各种遍布于体内外的医用传感器节点(Node)和一个中心节点(Hub)组成，是一种用于体表或体内生物体征信息的监控及部分无线应用的短距离低功耗无线通信网络。典型的无线体域网的组成如图1所示。无线体域网主要有以下三个特点：一是，节点间通信距离短(体表附近)，网络拓扑多为星形拓扑；二是，面向医疗应用的传感器通常为可穿戴或者需要植入体内的传感器，考虑到人体舒适性和体内植入的难度，无线体域网对传感器的体积和功耗都有较为严格的要求；三是，各传感器节点产生的业务，尤其是紧急业务应能及时可靠地传输到Hub。

传感器节点的主要功耗在于无线射频模块的收发以及MAC上，中心节点由于需要做汇聚及与外部网关或远程控制中心通信的任务，功耗相对会大一点。在无线体域网这种多个传感器节点共用一个信道的分布式网络中，MAC层常用的接入方式为载波(媒体)监听多重存取(CSMA，CarrierSenseMultipleAccess)/冲突避免(CA，CollisionAvoidance)，由CSMA/CA的基本原理可知，其不可避免地会产生冲突及重传，这将会导致较多的能量消耗。IEEE802.15.6中规定的CSMA/CA，虽然对不同用户优先级的业务采用了不同的竞争窗口值(CW)，但其退避规则仍和原始CSMA/CA大致相同，这也就意味着在节点数目增多时，传输数据包时的冲突概率将会大大增加，为了尽可能保证各传感器节点采集的生理信息的可靠、高效传输，延长无线体域网的持续生存时间，一种低功耗、低时延的MAC层接入方法亟待被提出应用。

在申请号为“201310141601.X”，发明名称为“一种实时任务调度的医疗体域网MAC接入方法”的申请中，公开的MAC接入方案需要使用冲突解决队列和数据传输队列两种队列，同时还引入了微时隙和数据时隙来分别传输接入请求和无冲突数据。这种方案虽然可以根据节点和网络的实际情况动态调整网络中节点的传输顺序以提高服务质量，但是，同时也不可避免地增加了MAC层协议的复杂性，在实际应用中是难以实现的。

在无线体域网尤其是应用于医疗领域的体域网中，紧急业务的传输是一项重要的衡量指标，相关技术中提出的在超帧中插入适量的小的空闲时隙专门用于紧急业务的传输的方案，虽然这些空闲时隙的数目可以由统计规律给出一些参考，但是在实际应用中还是会产生一些不必要的时隙浪费，这将降低全网的吞吐量；而且在实际的医疗场景中，紧急业务出现的频率通常不会太高，因此这种方法实用性并不高。

在IEEE802.15.6协议中，传感器节点在传输数据包时，首先根据相应数据包的用户优先级选取相应的竞争窗口CW，然后从[1,CW]中随机选取一个数作为退避计数器的值，进行退避计数。在退避计数器件，传感器节点侦听信道：若信道状态为空闲，则退避计数器减1；若信道状态为忙，则退避计数器的值被锁住，直到再次侦听到信道状态为空闲，退避计数器的值从刚才被锁住的值继续做减1计数。直到退避计数器的值递减为0，此时，传感器节点开始发送数据包。这种静态的CSMA/CA接入协议实现起来虽然较为简单，但是，对于无线体域网(WBAN)而言，不同传感器节点的采样率和数据格式(如心率和血压信息)不尽相同，因此，对于不同节点来说，其数据到达率往往相差较大；由于医疗应用需求，同一传感器节点的采样率在人体处于不同生理状态时其数据采样率也略微有些变化，比如，在心电图(ECG)监测中，对于出现可疑的紧急状况时，会提高采样率以提供更为详细的信息，也就是说，对于同一节点其数据包到达率在不同时刻也不太一样。

现有CSMA/CA接入协议实现的MAC层接入方法中，缺乏根据各传感器节点数据队列中缓存的数据包长度动态调整发包数的策略，因此，造成了数据包较多的传感器节点不能及时接入信道。此外，当某个传感器节点获得信道使用权时，由于节点发送数据包的个数是一个固定的值，这样，数据包多的传感器节点并不能实时调整以满足发送较多的数据包，不利于高效利用时隙资源，从而浪费了不必要的控制开销。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种实现MAC层接入的方法及传感器节点，能够实时调整数据包的发包数，高效利用时隙资源，从而避免不必要的控制开销的浪费。

为了达到本发明目的，本发明提供了一种实现媒体访问控制MAC层接入的方法，包括：传感器节点基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；

在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。

所述确定退避计数器的初始值具体包括：

在所述传感器节点发包前，从竞争窗口[1,CW]中随机选取一个值作为所述退避计数器的初始值；其中，

竞争窗口值CW为预先设置的阈值CW_max与当前数据队列中缓存包的数目的值L_now之差的差值。

所述当前数据队列中缓存包的数目L_now大于或等于阈值CW_max时，所述竞争窗口值CW取值为所述阈值CW_max。

所述直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包具体包括：

启动所述确定好的退避计数器并开始退避计数；

所述传感器节点侦听信道：如果信道空闲，所述退避计数器减1；如果信道忙，锁住所述退避计数器的值，直到再次侦听到信道空闲，从所述退避计数器被锁住的值继续进行减1的计数处理；

直至退避计数器值减到0，所述传感器节点发送数据队列中的数据包；其中，所述传感器节点发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。

本发明还公开了一种传感器节点，至少包括预处理模块、处理模块；

其中，预处理模块，用于基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；

处理模块，用于启动确定的退避计数器，在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。

所述预处理模块具体用于：

在所述传感器节点发包前，从竞争窗口[1,CW]中随机选取一个值作为退避计数器的初始值；其中，竞争窗口值CW为预先设置的阈值CW_max与当前数据队列中缓存包的数目L_now之差的差值。

在所述当前数据队列中缓存包的数目L_now大于或等于所述阈值CW_max时，所述竞争窗口值CW取值为所述阈值CW_max。

所述处理模块具体用于：

启动所述确定好的退避计数器并开始退避计数；

侦听信道：如果信道空闲，所述退避计数器减1；如果信道忙，锁住所述退避计数器的值，直到再次侦听到信道空闲，从所述退避计数器被锁住的值继续进行减1的计数处理；

直至退避计数器值减到0，发送数据队列中的数据包；其中，所述发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。

与现有技术相比，本申请技术方案包括传感器节点基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。通过本发明提供的技术方案，使得传感器节点在共享信道中更好地根据各节点队列中不同的数据业务量进行了发包数的动态调整，实时调整了数据包的发包数，实现了数据包较多的传感器节点能及时接入信道，高效利用了时隙资源，避免了不必要的控制开销的浪费，从而提高了全网吞吐量和减少传输时延。

而且，传感器节点在发包前，退避过程中使用的退避计数器(Backoff)时长和队列长度相关，传感器节点占用信道的时间也与队列长度相关。这使得传感器节点与中心节点之间的数据传输冲突概率更小，延时更低，交互功耗更低。通信效率更高，同时在实际系统中的实现更便利。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有典型的无线体域网的组成示意图；

图2为本发明实现MAC层接入的方法的流程图；

图3为本发明传感器节点的组成结构示意图；

图4为分别采用现有方法与本发明方法时，传感器节点的数据包在不同到达率下全网吞吐量(Throughput)仿真性能指标的对比示意图；

图5为分别采用现有方法与本发明方法时，传感器节点的数据包在不同到达率下的时延(Delay)仿真性能指标的对比示意图。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

为了达到低功耗和低时延的目的，MAC层的接入方法应尽可能减少多个传感器节点在共享信道中传输数据包时所造成的冲突及重传，从而提高全网的吞吐率，同时减少能量消耗以延长网络生存时间。另外，MAC层协议也不应该设计得过于复杂，否则在实际应用中会难以实现。

发明人发现，由于医疗场景中的传感器多为周期性采样，数据到达率在一段时间内相对比较平稳。当传感器节点的数据包到达率较大时，该传感器节点占用信道的概率应该越大，反之亦然。只有这样的经过动态调整后的MAC层接入方法才会提高整个体域网的吞吐量和更小的传输时延。

图2为本发明实现MAC层接入的方法的流程图，如图2所示，包括：

步骤200：传感器节点基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值。

本步骤具体包括：在传感器节点发包前，从竞争窗口[1,CW]中随机选取一个值作为退避计数器的初始值。这里，与IEEE802.15.6中的CSMA/CA方式不同的是，本发明中的竞争窗口值CW不是一个固定的值，而是基于传感器节点当前队列长度由公式(1)确定的：

CW＝CW_max-L_now(1)

在公式(1)中，按照相关协议规定，CW_max为一个预先设置的阈值，L_now为当前数据队列中缓存包的数目。

特别地，当当前数据队列中缓存包的数目L_now大于或等于阈值CW_max时，说明此时该传感器节点的数据包堆积过多，或者其他传感器节点的数据包流量也较大，因此，此时竞争窗口值CW取值为阈值CW_max，保证了各节点间的公平性。

步骤201：在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。

本步骤中，启动确定好的退避计数器并开始退避计数，此时，传感器节点开始侦听信道：如果信道空闲，那么，退避计数器减1；如果信道忙，那么，锁住退避计数器的值，直到再次侦听到信道空闲，从刚才退避计数器被锁住的值继续进行减1的计数处理；

直至退避计数器值减到0，传感器节点开始发送数据队列中的数据包，此时，传感器节点发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。

本发明方法中，退避计数器时长和队列长度相关，当数据包堆积较多时，由于竞争窗口值CW选取的值会变小，因此，退避时间也会相应变小。这样，使得数据包较多的节点实现了及时接入信道。此外，当某个传感器节点获得信道使用权时，发送数据包的个数也与当前数据队列长度有关，传感器节点发送数据包的个数不是一个固定的值，而是随机选择一个1到当前数据队列总的数据包个数之间的一个整数值，如果若选出来的整数大于预先设置的阈值，则将当前发送数据包的个数设置为该阈值，这样，数据包多的传感器节点仅仅是有更大的可能发送较多的数据包，而非必然，因此，这也是一种公平性的体现。同时，这也非常有利于高效利用时隙资源，避免了不必要的控制开销。

通过本发明提供的技术方案，使得传感器节点在共享信道中更好地根据各节点队列中不同的数据业务量进行了发包数的动态调整，实现了数据包较多的传感器节点能及时接入信道，从而提高了全网吞吐量和减少传输时延。而且，传感器节点占用信道的时间也与队列长度相关。这使得传感器节点与中心节点之间的数据传输冲突概率更小，延时更低，交互功耗更低。通信效率更高，同时在实际系统中的实现更便利。

图3为本发明传感器节点的组成结构示意图，如图3所示，至少包括预处理模块，处理模块，其中，

预处理模块，用于基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；

处理模块，用于启动确定的退避计数器，在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。较佳地，传感器节点发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。

其中，预处理模块具体用于：

在传感器节点发包前，从竞争窗口[1,CW]中随机选取一个值作为退避计数器的初始值；其中，竞争窗口值CW为预先设置的阈值CW_max与当前数据队列中缓存包的数目L_now之差的差值。

特别地，当当前数据队列中缓存包的数目L_now大于或等于阈值CW_max时，竞争窗口值CW取值为CW_max。

其中，处理模块具体用于：

启动确定好的退避计数器并开始退避计数；

侦听信道：如果信道空闲，退避计数器减1；如果信道忙，锁住退避计数器的值，直到再次侦听到信道空闲，从退避计数器被锁住的值继续进行减1的计数处理；

直至退避计数器值减到0，发送数据队列中的数据包；其中，发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。

下面结合仿真对本发明提供的技术方案带来的技术效果进行详细分析。

图4为分别采用现有方法与本发明方法时，传感器节点的数据包在不同到达率下全网吞吐量(Throughput)仿真性能指标的对比示意图，如图4所示，曲线43为固定退避—固定发包个数(FixBackoff–FixTransmission)的CSMA/CA方式，也就是原有的CSMA/CA协议条件下的全网吞吐量仿真结果曲线；曲线42为基于实时队列长度的退避—固定发包个数(QueueBackoff–FixTransmission)的CSMA/CA方式条件下的全网吞吐量仿真结果曲线；曲线41为基于实时队列长度的退避—基于实时队列长度的发包个数(QueuBackoff–QueueTransmission)即本发明方法条件下的全网吞吐量仿真结果曲线。

假设传感器(Sensor)节点向中心节点发送数据包以测试各项指标性能。在固定发包策略即固定退避—固定发包个数与基于实时队列长度的退避—固定发包个数，发送数据包的个数为1个；考虑到实际应用中，不可能让某个传感器节点一次发送大量的数据包，因此在本发明的基于实时队列长度的退避—基于实时队列长度的发包个数的策略中，可以设置在一次发包过程中，其发包个数上限为某一正整数值。

在图4所示的整个仿真时长内，假设定义整个网络的接收正确率并假设数据包的时延为：数据包从产生到被中心节点正确接收的时间间隔。对于图4所示的仿真场景，通过仿真计算网络的接收正确率Throughput与数据包的平均时延，仿真性能曲线如图4所示，由图4可知：

在低到达率情况下，即λ＜1/68(数据包/时隙)，三种CSMA/CA策略下，接收正确率Throughput近似为1，也就是说sensor节点产生的数据包都能正确被中心节点接收；

在中等到达率情况下，即1/68＜λ＜1/32(数据包/时隙)，接收正确率Throughput性能为：曲线41>曲线42>曲线43，并且，此时曲线43显示的性能急剧下降，曲线42显示的性能出现下降但接收正确率Throughput仍然大于0.9，而权限41显示的性能几乎不变，仍然保持在1附近；

在高达率情况下，即1/32＜λ＜1/20(数据包/时隙)，曲线42显示的性能出现急剧恶化，而曲线41显示的性能虽出现略微下降，但仍然大于0.9。

在图4中，三种方式下，即曲线41、曲线42和曲线43显示的接收正确率Throughput在低到达率情况下性能一致，这是因为在低到达率情况下，传感器节点自身的数据队列没有堆积，此时基于队列长度的CSMA/CA策略就退变成现有的静态CSMA/CA策略，所以三者性能一致。但是，随着到达率增高，曲线42显示的性能要好于曲线43的，这是因为前者的退避计数过程基于实时队列长度进行，队列长度越长，退避计数的时间越短，能够更快接入信道。从图4所示的仿真结果可见，曲线41显示的性能最好，这是因为本发明的基于实时队列长度的退避—基于实时队列长度的发包个数的方式不仅仅在退避计数过程中示基于实时队列长度进行，而且节点发送数据包的个数也是基于实时队列长度进行的，数据队列长的传感器节点不仅能够更快接入信道，而且当每次成功接入信道后，也能发送较多的数据包，从而使得数据包尽快得到了传输。由此可见，本发明基于实时队列长度的动态CSMA/CA方式，提高了网络的接收正确率Throughput。

网络的时延Delay性能是和接收正确率Throughput性能相对应的，当接收正确率Throughput降低时，所有数据包将不能被及时传递到中心节点，堆积在传感器节点的数据队列中，导致了时延增大。图5为分别采用现有方法与本发明方法时，传感器节点的数据包在不同到达率下的时延(Delay)仿真性能指标的对比示意图，如图5所示，曲线53为固定退避—固定发包个数(FixBackoff–FixTransmission)的CSMA/CA方式，也就是原有的CSMA/CA协议条件下的时延仿真结果曲线；曲线42为基于实时队列长度的退避—固定发包个数(QueueBackoff–FixTransmission)的CSMA/CA方式条件下的时延仿真结果曲线；曲线41为基于实时队列长度的退避—基于实时队列长度的发包个数(QueuBackoff–QueueTransmission)即本发明方法条件下的时延仿真结果曲线。从图5所示的仿真曲线，本领域技术人员不难看出，与现有技术相比，本发明基于实时队列长度的动态CSMA/CA方式降低了数据包时延。

因此，综合正确接收率Throughput和时延性能来看，本发明基于实时队列长度的动态CSMA/CA方式的性能均优于原有静态的CSMA/CA策略。

以上所述，仅为本发明的较佳实例而已，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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种实现媒体访问控制MAC层接入的方法，其特征在于，包括：传感器节点基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；

在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定退避计数器的初始值具体包括：

在所述传感器节点发包前，从竞争窗口[1,CW]中随机选取一个值作为所述退避计数器的初始值；其中，

竞争窗口值CW为预先设置的阈值CW_max与当前数据队列中缓存包的数目的值L_now之差的差值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述当前数据队列中缓存包的数目L_now大于或等于阈值CW_max时，所述竞争窗口值CW取值为所述阈值CW_max。

4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包具体包括：

启动所述确定好的退避计数器并开始退避计数；

所述传感器节点侦听信道：如果信道空闲，所述退避计数器减1；如果信道忙，锁住所述退避计数器的值，直到再次侦听到信道空闲，从所述退避计数器被锁住的值继续进行减1的计数处理；

直至退避计数器值减到0，所述传感器节点发送数据队列中的数据包；其中，所述传感器节点发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。

5.一种传感器节点，其特征在于，至少包括预处理模块、处理模块；

其中，预处理模块，用于基于当前数据队列中缓存包的数目，确定退避计数器的初始值；

处理模块，用于启动确定的退避计数器，在退避计数过程中，传感器节点侦听信道并根据信道状况更新退避计数器，直至退避计数器计满，传感节点发送自身的数据包。

6.根据权利要求5所述的传感器节点，其特征在于，所述预处理模块具体用于：

在所述传感器节点发包前，从竞争窗口[1,CW]中随机选取一个值作为退避计数器的初始值；其中，竞争窗口值CW为预先设置的阈值CW_max与当前数据队列中缓存包的数目L_now之差的差值。

7.根据权利要求6所述的传感器节点，其特征在于，在所述当前数据队列中缓存包的数目L_now大于或等于所述阈值CW_max时，所述竞争窗口值CW取值为所述阈值CW_max。

8.根据权利要求5～7任一项所述的传感器节点，其特征在于，所述处理模块具体用于：

启动所述确定好的退避计数器并开始退避计数；

侦听信道：如果信道空闲，所述退避计数器减1；如果信道忙，锁住所述退避计数器的值，直到再次侦听到信道空闲，从所述退避计数器被锁住的值继续进行减1的计数处理；

直至退避计数器值减到0，发送数据队列中的数据包；其中，所述发送的数据包的个数为从[1,L_now]中随机选取一个值。