CN106255187B - 一种应用于wban的基于竞争导向的节点休眠方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，其步骤：在现有标准规定的超帧结构基础之上，根据节点优先级对CAP阶段设置竞争I时段、竞争II时段以及竞争III时段；根据不同的竞争时段对CAP阶段划分成竞争时段CI、竞争时段CII和竞争时段CIII，设置竞争导向机制，控制具有某一优先级的节点只能在某一个竞争时段进行接入，优先级接近的节点具有相同的竞争等级；将休眠机制加入到已经设置竞争导向的CAP时段中，即控制节点在无关时段进行休眠。本发明能有效地改善由于数据包重发导致的额外时延问题，同时能效得到提升，可以广泛适用于存在不同优先级多节点的WBAN环境中。

Description

一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法
技术领域
本发明涉及一种节点休眠方法，特别是关于一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法。
背景技术
无线体域网(WBAN)是应用于人体周围的无线传感网络，在远程医疗、健康诊断、病理监护等方面具有重要的应用。WBAN具有不同于传统传感器网络的一系列特点，能耗和时延是分析WBAN重要的性能指标。由于网络的MAC层定义了节点的接入以及资源分配等问题，在网络的整体性能优化方面往往起到决定性作用，因此关于WBAN传输标准张MAC层协议的研究日益增多。
目前应用于WBAN的传输标准为IEEE 802.15.6标准，是IEEE工作小组为推进WBAN的标准化而提出的专用传输标准。该标准对于网络的物理层和MAC层进行了规定，同时定义了MAC层的帧结构和接入方式，超帧结构如图1所示。其中，B代表超帧的信标，用于完成超帧同步和各时段长度规定。在竞争访问时段(包括EAP1、RAP1、EAP2、RAP2以及CAP)，各节点可以通过基于竞争的方式对信道进行访问，竞争的方式遵循CSMA/CA或slotted-Aloha机制。而在非竞争访问时段(MAP阶段)，节点通过轮询的方式对信道进行访问，按照中心节点(hub)规定的接入顺序，节点之间轮流占据信道进行数据发送。
下面以CSMA/CA为例说明竞争访问时段的接入机制。在CSMA/CA机制中，节点设置后退计数器，后退计数器的值服从[1，CW]的均匀分布，其中CW为竞争窗口且CW∈(CWmin,CWmax)，竞争窗口最小值CWmin和竞争窗口最大值CWmax的设置均与节点优先级相关。当后退计数器达到0值时，至少拥有用户优先级UP甚至更高的节点获得发送机会。在节点计数器未上锁的情况下，CW值的设置满足如下规则：①若节点在之前从未发生过数据包，则将CW值设为CWmin。②若节点上次数据包发送成功，则将CW值设为CWmin。③若节点上次数据包发送失败，则分如下情况进行讨论：A.若这是节点的连续第奇数次发送失败，则保持CW值不变；B.若这是节点的连续第偶数次发送失败，则CW翻倍；若CW值超过CWmax，则将CW值设置为CWmax。
上述定义中，在竞争访问时段采用CSMA/CA协议或者slotted-Aloha协议进行接入，发送过程中考虑节点的优先级设置对于数据包发送的影响，与WBAN异构性的特征相符合。但通过研究发现，在实际环境下的竞争过程中存在如下问题：在多节点网络环境下，高优先级节点容易出现“自私”节点情况，占有大量信道资源，抢占低优先级节点资源，使得低优先级节点数据包发送成功率低，重复发送次数大，引发了较大的额外时延，这种情况与无线WBAN低时延的要求不相符合。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，其能有效地改善由于数据包重发导致的额外时延问题，同时能效得到提升。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，其特征在于，该节点休眠方法包括以下步骤：1)在现有标准规定的超帧结构基础之上，根据节点优先级对CAP阶段设置竞争I时段、竞争II时段以及竞争III时段；2)根据不同的竞争时段对CAP阶段划分成竞争时段CI、竞争时段CII和竞争时段CIII，设置竞争导向机制，控制具有某一优先级的节点只能在某一个竞争时段进行接入，优先级接近的节点具有相同的竞争等级；3)将休眠机制加入到已经设置竞争导向的CAP时段中，即控制节点在无关时段进行休眠。
优选地，所述步骤1)中，竞争时段Ci长度计算公式为：
式中，Bi为优先级为i的传感器集合，k为传感器序号；Nk为第k个传感器完成一次诊断所需要的数据包个数；Rk为第k个传感器的采样速率；Tcomplete为时间修正因子；CAPleft为目前CAP阶段的剩余时隙长度；GTSfirst为CFP阶段的第一个GTS时隙长度。
优选地，若CAP目前所剩时隙长度不足以分配新的竞争时段，则将CFP阶段的第一个GTS时隙与CAP阶段所剩时隙合并为一个竞争时段。
优选地，所述步骤2)中，竞争导向机制的实现方法为：每个竞争时段对应不同的竞争等级，设置竞争等级为I、II、III三级，竞争时段CI对应最高的竞争等级；不同传感器节点具有不同的优先级，除去用于传输紧急业务的优先级为7的节点，其他节点的优先级设置从1到6不等，在竞争I时段中，优先级为6和5的节点为高优先级节点，它们只能在CI竞争时段进行接入并进行竞争；在竞争II时段中，优先级为4和3的传感器节点能尝试接入；在竞争III时段中，优先级为2和1的传感器节点能尝试接入。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明在原有802.15.6标准MAC层协议的基础之上，加入竞争导向机制，根据优先级的不同等级对CAP阶段进行划分，能够带来时延和能效性能的双重改进，有效提升了网络性能。2、本发明在时延上，设置竞争导向能够有效减少非同等优先级等级的节点之间数据包的碰撞，从而避免发生高优先级节点的“自私”现象，保证了资源竞争的公平性，减少数据包碰撞和重发现象的发生，有效地减小了传输时延。3、本发明在能耗上，设置基于竞争导向的休眠机制也提升了能效性能，使得相同时间内WBAN相比于现有的传输标准能量消耗更小。综上所述，本发明可以广泛适用于存在不同优先级多节点的WBAN环境中。
附图说明
图1是现有技术中图802.15.6标准超帧结构图；
图2是本发明改进后的超帧结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图2所示，本发明提供一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，对现有802.15.6标准所规定的MAC层接入协议进行改进优化，加入竞争导向机制，得到改进后的超帧结构，其包括以下步骤：
1)在现有标准规定的超帧结构基础之上，根据节点优先级对CAP阶段设置竞争I时段、竞争II时段以及竞争III时段等不同的竞争时段。
2)根据不同的竞争时段对CAP阶段划分成竞争时段CI、竞争时段CII和竞争时段CIII，设置竞争导向机制，控制具有某一优先级的节点只能在某一个竞争时段进行接入，优先级较为接近的节点具有相同的竞争等级；
其中，竞争导向机制的实现方法为：每个竞争时段对应不同的竞争等级，可以设置竞争等级为I、II、III三级，CI对应最高的竞争等级；在无线体域网环境下，不同传感器节点具有不同的优先级，除去用于传输紧急业务的优先级为7的节点，其他节点的优先级设置从1到6不等，在竞争I时段中，优先级为6和5的节点为高优先级节点，它们只能在CI竞争时段进行接入并进行竞争；在竞争II时段中，优先级为4和3的传感器节点可以尝试接入；在竞争III时段中，优先级为2和1的传感器节点可以尝试接入，依照优先级排序类推。
3)将休眠机制加入到已经设置竞争导向(竞争阶段划分)的CAP时段中，即控制节点在无关时段进行休眠。如在CI时段，可以设置节点优先级等级非I的节点休眠，由于休眠状态下的节点消耗能量较少，CAP时段的能量消耗被有效减少，提升了网络整体的能效性能。
上述步骤1)中，竞争时段Ci长度计算公式为：
式中，Bi为优先级为i的传感器集合，k为传感器序号；Nk为第k个传感器完成一次诊断所需要的数据包个数；Rk为第k个传感器的采样速率；Tcomplete为时间修正因子；CAPleft为目前CAP阶段的剩余时隙长度；GTSfirst为CFP阶段的第一个GTS时隙长度。
上述公式中取最大值的目的是保证数据分析的完整性，确保不会因为分段导致某一节点数据量过小。若CAP目前所剩时隙长度不足以分配新的竞争时段，则将CFP阶段的第一个GTS时隙与CAP阶段所剩时隙合并为一个竞争时段。
上述各步骤中，在设置竞争导向的过程中，具体的导向分级可以根据实际WBAN的节点构成来确定。当网络中含有较多具有不同优先级的节点时，可以在CAP阶段设置多个阶段的竞争等级。
综上所述，本发明设置竞争导向能够有效减少不同竞争等级的节点之间数据包的碰撞，从而避免发生高优先级节点的“自私”现象，保证了资源竞争的公平性，减少数据包碰撞和重发现象的发生，有效地减小了传输时延。同时，本发明在设置竞争导向的基础之上，将休眠机制加入到已经设置竞争导向的CAP时段中，即控制节点在非接入时段进行休眠。如在CI时段，可以设置节点竞争等级非I的节点休眠。由于休眠状态下的节点消耗能量较少，且某一竞争时段内同时处于工作状态的节点数量减少，因此CAP时段的能量消耗明显降低，有效提升了网络整体的能效性能。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，其特征在于，该节点休眠方法包括以下步骤：
1)在现有标准规定的超帧结构基础之上，根据节点优先级对CAP阶段设置竞争I时段、竞争II时段以及竞争III时段；
2)根据不同的竞争时段对CAP阶段划分成竞争时段CI、竞争时段CII和竞争时段CIII，设置竞争导向机制，控制具有某一优先级的节点只能在某一个竞争时段进行接入，优先级接近的节点具有相同的竞争等级；
竞争时段Ci长度计算公式为：
式中，Bi为优先级为i的传感器集合，k为传感器序号；Nk为第k个传感器完成一次诊断所需要的数据包个数；Rk为第k个传感器的采样速率；Tcomplete为时间修正因子；CAPleft为目前CAP阶段的剩余时隙长度；GTSfirst为CFP阶段的第一个GTS时隙长度；
3)将休眠机制加入到已经设置竞争导向的CAP时段中，即控制节点在无关时段进行休眠。
2.如权利要求1所述的一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，其特征在于：所述步骤2)中，若CAP目前所剩时隙长度不足以分配新的竞争时段，则将CFP阶段的第一个GTS时隙与CAP阶段所剩时隙合并为一个竞争时段。
3.如权利要求1所述的一种应用于WBAN的基于竞争导向的节点休眠方法，其特征在于：所述步骤2)中，竞争导向机制的实现方法为：每个竞争时段对应不同的竞争等级，设置竞争等级为I、II、III三级，竞争时段CI对应最高的竞争等级；不同传感器节点具有不同的优先级，除去用于传输紧急业务的优先级为7的节点，其他节点的优先级设置从1到6不等，在竞争I时段中，优先级为6和5的节点为高优先级节点，它们只能在CI竞争时段进行接入并进行竞争；在竞争II时段中，优先级为4和3的传感器节点能尝试接入；在竞争III时段中，优先级为2和1的传感器节点能尝试接入。
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