TWI430681B - 身體區域網路之改進技術（三） - Google Patents

身體區域網路之改進技術（三） Download PDF

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Description

身體區域網路之改進技術(三)
本發明係有關於包括個人區域網路之無線感測器網路且特別但非專指有關於包括安置在人或動物身上或周圍或植入人或動物體內的無線通訊感測器之身體區域網路。
已經有各種不同類型的無線感測器網路被提出。在這些無線感測器網路當中，所謂的身體區域網路或BAN是無線個人區域網路(WPAN)的一範例，被用來在相對短的距離上傳送資訊。與無線區域網路(WLAN)不同，經由WPAN實現的連接包含極少或無基礎架構。此特徵允許小、低功耗、低廉的解決方案在大範圍的裝置中實施。特別受到關注的是醫療BAN(MBAN)的可行性，其中感測器被用來監測一或一個以上病人的狀態。主要使用感測器来饋送感測資料給一資料槽之一BAN是一無線感測器網路(WSN)的一範例；然而，更多主動元件，諸如致動器，也可被包括在一MBAN中。
標準的IEEE 802.15.4定義低資料速率WPAN的實體層(PHY)及媒體存取控制(MAC)子層規範。IEEE 802.15.4與一較高資料速率WPAN、IEEE 802.15.3之標準具有某些類似性。文件IEEE標準802.15.4-2006及IEEE標準802.15.3-2003全部併入文中以供參考。
IEEE 802.15.4中設想類型的WPAN適於諸如工業監測之應用，但不提供MBAN所需要的資料可靠性。
在醫療應用中，有對減小與人類勞動相關聯的成本而提高可靠性與過程自動化並減少人為誤差之一需求。感測器可提供需要的智慧，且已在醫療設備中廣泛使用。這包括醫院的恢復護理、家庭護理、加護病房及先進的外科程序。有許多不同類型的感測器被用於醫療應用中，包括針對脈搏、溫度等之外部感測器、與體液接觸之感測器、用於導管(通過切口)中之感測器、外部應用的感測器、有無線感測器的一次性皮膚貼布、及可植入的感測器。
一醫院或醫療病房內在一病人周圍之感測器的一WPAN可提供多個臨床效益，包括病人行動性、監測靈活性、延伸監測到當前未受監測之護理區域、減小的臨床誤差及減小的總的監測成本。身體穿戴感測器可包括單一病人身上的各不同感測器類型。它們需要能夠快速施加於病人的身體或移除。
在一個體的基礎上，此類感測器可能具有低至每一病人1-2 kbps的位元率而在總計基礎上它們可需要一10 kbps的位元率。少至幾米的一範圍可能是足夠的。然而，醫療WSN應用在臨床環境中是關鍵任務應用。有界資料損失及有界潛時的強健無線鏈接、病人及感測器密度的容量、與其它無線電的共存、數日連續操作的電池壽命及身體穿戴裝置之小形狀因數都在醫療WSN或MBAN的需求當中。這些需求可透過利用技術來滿足，諸如時域與頻域中之分集及誤差控制技術，包括前向誤差改正(FEC)及適應性重送請求(ARQ)、感測器資訊速率之小工作週期TDMA、及更高效的小天線。
因而，正在努力定義一更加標準的IEEE 802.15.6，其旨在定義身體區域網路特別是醫療應用上的特性。IEEE 802.15.6的一主要要求是具有低電池消耗之醫療應用的高可靠性。這在當醫療WSN應用中病人的生命依賴於無線鏈接的可靠性之應急情況時尤為重要。諸如IEEE 802.15.4之現有IEEE標準是為商業應用而設計並未考慮到此類應急救命情形。
特別是，有需要確保與網路裝置，諸如在這一應急情況中所涉及之感測器的通訊可靠性、而不增加網路裝置所消耗的電力。
依據本發明之一第一層面，本發明提供一包含複數網路裝置、被安排以一第一子集的網路裝置執行非信標模式通訊之一第一協調者，及被安排以一第二子集的裝置執行信標模式通訊之一第二協調者的無線感測器系統，該系統具有依賴於一該等裝置是否存在一應急狀態而判定哪一網路裝置包括在該第一或第二子集中之手段。
依據本發明之一第二層面，本發明提供一無線感測器系統，包含複數網路裝置、一被安排以一第一子集的網路裝置執行非信標模式通訊之一第一協調者，及被安排與一第二子集裝置執行信標模式通訊之一第二協調者，該系統具有依賴於該等裝置是否存在一應急狀態而在該第一子集與該第二子集之間交遞一或一個以上裝置之手段。
因此，本發明的這些層面包含非信標模式及信標模式協調者的雙重使用，以及能夠在信標模式與非信標模式協調者之間交遞之網路裝置，允許「應急」通訊，諸如為得到較高可靠性而經由有信標模式被發送之感測器資料。
對於熟於此技者將是明顯地，若非為了申請專利範圍的目的，兩協調者的使用意味至少兩網路裝置的存在，「系統」一詞欲包含任何數目的此類網路。「網路」一詞被用來指各自協調者所提供之各信標模式與非信標模式網路。
這裡，較佳地，實體的應急狀態包含系統中一感測器所感測之實體的一參數的一臨界水平。
在上述任一層面中，較佳地，一網路裝置之一應急狀態的存在與否將取決於它是否涉及監測在一臨界條件下的某種實體(諸如生命體)。
當該系統被用於監測複數實體(諸如在一醫院病房中的一些病人)時，一各自子集的網路裝置被分配用以監測每一實體，每一子集的網路裝置被包括在該第一或第二網路中或作為一個單元在該第一與第二網路之間交遞。因此，一旦監測一特定實體之該等網路裝置中的即便一網路裝置存在一應急狀態，監測該實體的所有網路裝置較佳地是一起被交遞。
如上所提及，應急狀態的存在或不存在較佳地是基於在各自子集中之網路裝置的感測器所感測的一或一個以上參數的一臨界水平而判定。亦即，例如，檢測一參數的一感測值是否超過臨界水平。
在上述系統中，較佳地，該第一與第二協調者被安排成，自所有的網路裝置被包括在該第一網路中之一初始狀態開始、響應於該應急狀態的開始(進入存在)將一或一個以上網路裝置自該第一網路交遞至該第二網路、及響應於該應急狀態的結束(解除)將一或一個以上網路裝置自該第二網路交遞至該第一網路。
該無線感測器系統典型地將是一其中資訊在該系統中於訊框內被無線發射的無線感測器系統，每一訊框具有一訊框控制欄位，該應急狀態的宣告藉由將該訊框控制欄位中的一值設為一預定義值來完成。
較佳地，該等訊框包括不同類型的訊框，及該預定義值表示一應急訊框類型。該訊框控制欄位可包括至少一位元用來發送該應急條件存在或不存在的信號。
這一基於訊框的系統可包括一基於IEEE 802.15.6的MBAN。在一較佳應用中，上述實體是生命體，每一感測器是用以感測一病人生命體的一生命參數，且該應急狀態是一醫療應急。
該網路裝置可為被分配用以監測同一實體之複數網路裝置之一，在此情況中，應急狀態可依據由該網路裝置或分配給同一實體的任一網路裝置所感測之一參數的層級來判定。
一般地，在應急中，信標模式通訊將被選擇用於較重要的網路裝置通訊，而非信標模式被非處於應急中的其它網路裝置使用。
該應急狀態存在或不存在的判定可在網路裝置本身中被完成。可選擇地，該應急狀態存在或不存在的判定可在網路裝置外例如由該第一及第二協調者中之任一者完成，在此情況中，網路裝置被安排用以接收此類判定的通知。
依據本發明的一第三層面，本發明提供在一具有包括用以監測至少一實體的感測器之複數網路裝置之無線感測器系統中之一協調者，該系統被組態供該等網路裝置之同時的信標模式與非信標模式通訊，其中該協調者被安排成與至少一子集的網路裝置非信標模式通訊，且響應於該實體存在一應急狀態之一判定而將該子集的一或一個以上網路裝置交遞至另一協調者供信標模式通訊。
因此，該實體存在一應急狀態之一判定(不拘是由協調者自身作出、或由它處諸如由其服務的網路裝置中之一通知協調者)致使該協調者將應急所涉及的一或一個以上網路裝置的責任傳遞至另一協調者。這使得這些網路裝置能夠與另一協調者進行信標模式通訊以更可靠傳遞感測器資料等。
依據對此層面的一修改，本發明提供在一具有包括監測至少一實體的感測器之複數網路裝置之無線感測器系統中的一協調者，該系統以各自的網路組態以供該等網路裝置之同時信標模式與非信標模式通訊，其中該協調者被安排成以一些網路裝置非信標模式通訊，且響應於這些裝置中至少一裝置之一應急狀態判定而切換至與該至少一裝置以信標模式通訊同時將任何其它裝置交遞至另一協調者供非信標模式通訊。因此，在此一修改中，原始協調者保持對處於應急中的該(等)裝置的責任但切換至信標模式以便能夠與處於應急中的該(等)裝置有一更可靠的通訊(例如，透過使用保證時槽)。
依據本發明之一第四層面，本發明提供在一無線感測器系統中的一協調者，該系統具有包括用以監測至少一實體的感測器之複數網路裝置，該系統被組態供該等網路裝置的同時信標模式與非信標模式通訊，其中該協調者被安排成與該等網路裝置的一子集以信標模式通訊且響應於該實體之一應急狀態不存在之一判定而將一或一個以上網路裝置交遞給另一協調者供非信標模式通訊。。
因此，該實體一應急狀態結束的判定(不拘由是協調者自身作出、或自它處諸如其所服務的網路裝置之一通知協調者)致使協調者將對於不再處於應急之一或一個以上網路裝置的責任傳遞至另一協調者。這使得這些網路裝置能夠與另一協調者進行非信標模式通訊以例行傳遞非緊急感測器資料等。
可選擇地，一組處於應急中之裝置的一交遞在它們移出一現有基於信標之協調者的範圍時可被完成，例如由於一病人的運動。該等裝置被一同交遞給範圍內的另一協調者，較佳地一信標模式協調者。
除了一應急狀態存在外之其它因素在執行該等協調者之間的一交遞之前可被納入考量，特別是對於自一信標模式協調者交遞至一非信標模式協調者或另一信標模式協調者。例如，每一協調者可覺察它所服務之各該網路裝置的位置，並依賴該網路裝置離自身或系統中另一協調者的距離來判定交遞是否合適。亦即，只要任何移動網路裝置保持在該服務協調者的範圍內，交遞可被禁止。另外，信號強度(例如，如用SIR來指示)可以是納入考量的一額外因素，使得交遞SIR在一指定門檻值以上時不被執行。
一體現本發明使得在一組中且處於一應急狀態中之所有裝置(例如一組感測器都附於同一病人)能夠一同被交遞。這允許一病人在一醫院內的移動能夠被追蹤同時以一高穩定性傳輸鏈接監測病人。
依據本發明之一第四層面，本發明提供一種執行針對非信標模式通訊之一第一協調者與針對信標模式通訊之一第二協調者所服務之一無線感測器系統中網路裝置的通訊之方法，與至少一實體相關聯之該等網路裝置係受監測且該方法包含以下步驟：最初，將所有該等網路裝置置入該第一協調者所服務之一第一網路中；用該等相關聯的網路裝置之感測器監測該或每一實體之一或一個以上參數；將感測器資料自該第一網路中之該等網路裝置發射至該第一協調者；藉由使用該等監測的參數來檢測該實體一應急狀態的開始或結束；響應於該實體該應急狀態的開始之檢測，將該等相關聯的網路裝置交遞給該第二網路；將感測器資料自該第二網路中之該等網路裝置發射至該第二協調者；及響應於一該實體之該應急狀態的結束之檢測，將該等相關聯的網路裝置交遞給該第一網路；本發明之進一步的層面提供，當被一網路裝置的一處理器或一無線感測器系統的一協調者所執行時，分別提供該上述網路裝置或上述定義的協調者中之一者之軟體。這一軟體可被儲存在電腦可讀取媒體上。
圖式簡單說明
為了更好的理解本發明及更清楚展示本發明如何可被付諸實施，現在將僅以範例方式參考下面圖示，其中：第1圖說明一IEEE 802.15.4 WPAN中的協定層；第2圖說明該IEEE 802.15.4 WPAN之可能的PHY頻帶；第3圖說明一WPAN之星型與點對點拓撲；第4圖繪示一有信標IEEE 802.15.4WPAN中一超框的結構；第5-8圖說明一IEEE 802.15.4WPAN中一網路裝置與一協調者之間之可能的資料傳遞模式；第9圖繪示用於一IEEE 802.15.4WPAN中的一資料訊框之一訊框格式；第10A圖繪示在第9圖訊框格式中一訊框控制欄位的結構；第10B圖是第10A圖該訊框控制欄位中訊框類型位元的迄今定義值之一表格；第11A圖繪示用於IEEE 802.15.4中一MAC命令訊框之部分的訊框格式；第11B圖是第11A圖該訊框格式中一命令訊框識別符的迄今定義值之一表格；第12圖說明一具有信標與非信標協調者兩者且體現本發明之WPAN，處於一交遞之前的一狀態中；第13圖說明一具有信標與非信標協調者兩者且體現本發明之WPAN，處於一交遞之後的一狀態中；第14圖繪示用以在本發明之一實施例中設定組態及交遞之一流程圖；第15圖繪示在本發明之一實施例中一交遞回到一原始協調者之一流程圖；第16圖繪示在本發明之一實施例中基於位置的一交遞之一流程圖；第17圖繪示在本發明之一實施例中基於位置與信號/連接品質之一交遞的一流程圖；第18圖繪示在本發明之一實施例中提出之訊框控制欄位之新穎結構；第19圖是第18圖該訊框控制欄位中訊框類型位元的可能值之一表格；第20圖繪示依據本發明之另一實施例而修改之一訊框格式之一訊框控制欄位的結構；第21圖是第20圖訊框控制欄位中的訊框類型值的一表格；及第22圖繪示在本發明之另一實施例中對第11A/B圖該命令訊框識別符的一修改。
在闡述本發明的實施例之前，首先對無線網路中使用的多重進階協定的一些背景作一解釋，接著對IEEE 802.15.4預期與當前正在開發中的IEEE 802.15.6，及/或與包括MBAN之身體區域網路有關的標準部分提出一摘要。
多重進階指一無線網路中多個網路裝置分享同一無線電通道之可能性。為了能夠多重進階，無線網路一般地基於頻分(其中各自的網路裝置之傳輸透過使用不同的頻率而被保持分離)或時分(其中傳輸透過在不同時間執行而被分離)而被組織。可能的是同時使用頻分及時分。對於本說明的其餘部分，將參考時分方案，雖然有經驗人士將認識到，類似於所描述的技術也可被應用於頻分情況中。
基於時分的網路典型地將時間劃分成相等的時間間隔，稱為「訊框」。依據為網路裝置可利用之資訊量來提供或多或少的通訊可靠性(意指一指定傳輸被成功接收的可能性)之各種協定已被設計。一種這樣的協定叫做ALOHA，也稱為「純ALOHA」，及它適用於網路裝置不知悉彼此或不知悉一預定時間參考之無線網路。
在使用純ALOHA協定之一網路中，任一網路裝置可在一時間訊框內的任一隨機時間啟動一資料傳輸。由於一網路裝置於此時可啟動一資料傳輸之隨機時間，兩或多個網路裝置可在重疊時間啟動一資料傳輸，導致一「碰撞」。此類碰撞中所涉及的傳輸以有錯誤到達一接收器。在沒有接收確認成功接收的確認之一適當延遲之後，發射器重試傳輸。相應地，這些傳輸也可遇到碰撞及因此也可能是不成功的。終端在傳輸之間以適當延遲來繼續發射，直至傳輸沒有錯誤的被接收且被確認。碰撞減小了網路的通量效率。
Aloha的一重要變體稱為「時槽式ALOHA」。使用一時槽式ALOHA之一通訊網路將每一訊框劃分成一系列時槽並(大體上)允許每一網路裝置使用任一時槽隨意發射。任何網路裝置的所有資料傳輸都必須在一時槽內開始與結束。如果一網路裝置具有比一時槽期間長之一資料傳輸，則它必須將資料傳輸分解成兩或更多個各自適合一時槽期間的較短資料傳輸。將傳輸限制在固定時槽內減小了碰撞的可能性，因此使得網路裝置之間的通訊更加可靠，但無法完全避免碰撞。時槽式ALOHA的一缺陷是需要每一網路裝置同步於每一訊框的開始，以獲悉時槽時序。實際上，這藉由網路裝置在每一訊框的開始聆聽一廣播時序參考信號或「信標」來實現。
不必需要一時序參考之一可選擇的協定被稱為CSMA-CA(具避免碰撞的載波感測多重存取)。在CSMA-CA中，無論何時一裝置想要在CAP中發射，它等待一隨機的週期。如果該通道被發現是閒置的，在隨機後退之後，該裝置發射它的資料。如果該通道在該隨機後退之後被發現是忙碌的，該裝置在試圖再次存取該通道之前等待另一隨機週期。
稱為TDMA(時分多重進階)之一進一步的協定需要一網路控制器或協調者來分配時槽供網路裝置的互斥使用以便避免可能的碰撞。然而，這不僅需要提供一中心協調者而且需要所有的網路裝置聆聽一信標以及在開始傳輸之前被分配給它們之該(等)槽的通知。
不同的協定可對一上行鏈路(即，資料傳輸到諸如一協調者或基地台之一中心點)及下行鏈路(即，資料傳輸到諸如感測器之一網路裝置)。
在這方面，針對一WSN的下行鏈路之一提出的協定被稱為WiseMAC(無線感測器MAC)。這是一非信標方案，包含每一網路裝置以同一恒定週期聆聽無線電通道一短的時間。如果一網路裝置檢測到活動，它繼續聆聽直至一資料訊框被接收或直至該通道再次變成閒置。同時，發送器在每一資料訊框之前加入一喚醒前言，以確保該接收器在該訊框的資料部分到達時被喚醒。以此方式，當通道閒置時，網路裝置的電力消耗被保持很低。
在IEEE 802.15.4中，如下討論，有信標的及非信標的拓撲都被規定。有信標的拓撲使用一組合的協定，用一「超框」取代「訊框」的概念，該超框包含透過CSMA-CA基於競爭的存取之槽與在一TDMA基礎上供一網路裝置的互斥使用而被分配之保證時槽。雖然這藉由分配GTS規定了可靠的資料傳輸，但是缺陷在於該等網路裝置必須保持供電(「喚醒」)以聆聽協調者的時序及槽分配信息。
總之，雖然提供一時序參考及(超級)訊框結構之基於信標的通訊協定容許較少的碰撞及因而容許更多可靠的通訊，但是這是以網路裝置的電力消耗為代價。另一方面，非信標方案雖然電力消耗在閒置週期可被保持在極低水平，但是通量較之基於信標的方案較少受保證且潛時(延遲直到獲得通道存取)較高。
本發明提出IEEE802.15.6的一通道存取方案，其允許將網路裝置的高可靠性與低電力消耗相結合。在闡述此方案如何工作之前，關於一IEEE 802.15.4網路的大致組態之一些更多的資訊現在將被提出，因為類似的組態預期被用於IEEE 802.15.6。
第1圖依據層狀的OSI模型繪示一IEEE 802.15.4 WPAN的大體結構，標為100，其中實體媒體是透過一包含無線電收發器及對它的低級控制之PHY層而存取。如所示，有在第2圖中闡述之針對PHY的兩可選擇頻帶101、102。較低頻帶101提供以868.3MHz為中心的一單一20kb/s的通道，及/或十個各自為以915MHz為中心的40kb/s通道。較高頻帶102提供16個各自為以2.44GHz的一頻率為中心的250kb/s通道。這些頻帶中的哪一個被使用視本地調整的需求而定。
對PHY的存取由第1圖中用105指示的一MAC(媒體存取控制)子層提供。在這之上，且本身在WPAN 100的外部，被提供一LLC(鏈路層控制)，其允許從其他網路存取WPAN；這可以依據IEEE 802.2標準、或另一類型的標準。最後，該LLC上面的上層109包括用以提供網路組態、操作、及訊息路由之一網路層及提供預期的全部功能之一應用層。
MAC子層的一任務是控制網路拓撲。星與點對點在通訊網路中是兩習知的拓撲，且都用於IEEE 802.15.4中。在兩種情況下，拓撲區分兩種基本的網路節點：裝置及協調者。如第3圖所示，在星型拓撲中，一些裝置11與一中心協調者10直接通訊；而在點對點組態中，一裝置11A與通訊器的通訊以中間裝置11B及11C充當中繼隨一或一個以上躍點(hops)而被完成。協調者充當上層的存取點；在一WSN的情況下，它充當供感測器收集資料的槽。假定，每一裝置的通訊範圍可能很有限(幾米)，該點對點拓撲允許一較大區域被涵蓋。因此，點對點典型地可被用於一些網路裝置在與協調者的直接無線通訊範圍之外的情況中。該拓撲可以是動態的、隨著裝置被加入或離開網路而改變。
舉例而言，在MBAN的情況下，一星型網路在其中一協調者在每一病人位置(諸如一病床)被提供的情況下將是合適的，與在一單個病人上的裝置交換信號。在一協調者被提供用以服務一些病人(該協調者可能位於一醫院病房的一固定點)的情況下，點對點將是一更加合適的拓撲。因此，雖然裝置11一般將是行動的，但該協調者可以是行動的或固定的。點對點網路在需要快速建立或改變網路、或網路的自我組織及自我修復的情況下也可更適合於快速變化環境。自我修復可包括，舉例而言，如果一現有協調者出現故障或離開網路就建立一新的協調者。
多個星型及/或點對點網路可在同一位置被建立，諸如一醫院，每一網路具有它們自己的協調者。在這種情況下，所需要的是各自的協調者相互協作以便避免相互間的干擾且允許分享或校對資料。在IEEE 802.15.4中，此類網路被稱為叢集，且針對叢集建立之一總協調者以及劃分與合併叢集作成規定。
在一WPAN中的節點可由不同能力的單元構成。一般地，協調者的作用將需要具有某一處理能力之一相對勝任的設備及能夠同時處理多源之傳輸的收發器。這相應地將使得提供足夠的電力(在一些情況下，可受電源供電)成為必需。另一方面，網路中的其它裝置可能具有較有限的處理能力且僅使用電池電力，及甚至可能過於簡單以致無法充當一中繼躍點。具有很低電力可用性的裝置在大部分時間可被關閉且只是偶爾「喚醒」，例如用以發射感測器資料給另一節點。因此，IEEE802.15.4標準區分了「完全功能」與「簡化功能」裝置。電力的可用性是MBAN與其它WPAN的一特定問題，其中感測器可被植入一人體或裝置中及因而無法有一大或可再充電的電池。
如所提及，IEEE802.15.4規定了有信標與非信標網路拓撲。
在一有信標的網路中，協調者週期性地發射一信標及裝置週期性地聆聽該信標以同步於網路並存取通道。該通道存取遵循如第4圖所示之一超框結構，該超框結構由該協調者定義。每一超框30由兩部分構成：活動與閒置部分。活動部分被劃分成一競爭存取週期CAP 36，之後是一可取捨無競爭週期CFP 37供具有服務品質要求之應用的保證存取。
如第4圖中垂直劃分所指示，該超框被劃分成16空間相等的時槽，每一時槽能夠攜帶協調者或一裝置的一資料訊框。因此，考慮與一協調者相關的裝置，在訊框內的每一連續時槽中一次僅一裝置可與該協調者通訊。第一個是由協調者所發射的一信標訊框(見下面)之一槽31。在此之後，在CAP中提供幾個槽32，它們使用CSMA-CA在一競爭的基礎上允許資料傳輸至或來自裝置。
之後是CFP之保證的時槽GTS 33，在一基於信標的網路中允許到裝置的通道存取及如所示，這些時槽中的每一時槽延伸超過一基本的時槽。閒置週期屆滿之後，下一超框被發送另一信標訊框31的協調者標記。裝置在該超框的閒置週期34內可進入休眠。因而，藉由延伸閒置週期34的長度，裝置的電池電力可被保存得盡可能多。
在非信標的網路中，除非如此被請求(例如，為了發現網路的目的)，協調者並不要求發射一同步化信標。通道存取並不受超框結構限制且裝置是異步的，透過CSMA-CA執行所有的資料傳遞。它們依據諸如WiseMAC之一協定可遵循它們自己的休眠模式(或工作週期)。
對於一MBAN應用，協調者在身體或被監測體的外部。它可以是一PDA、一行動電話、一床邊監測站或甚至暫時充當一協調者之一足以勝任的感測器。如上所述，在有信標的網路中的協調者負責提供同步及通道存取給網路裝置。一超框的開始與結束也由一協調者來定義。該協調者具有到其它網路之可能通訊的兩主要特徵並例如透過簡單更換充電電池來存取一充足的電源。
一中央護理與監測單元也可被提供用來全面監督可能包含幾個協調者之一網路。這可為一具有監測設備的房間的形式，該等監測設備能夠自多個病人接收連續或偶發性的應急資料流。在中央單元典型地將駐有護士或醫學專家，他們不斷觀察與監測病人的資料。他們將響應於病人條件的改變而做出行動。該中央護理與監測單元可無線連接到該或每一協調者(在此情況中它被視作部分的MBAN)或它可具有對每一協調者的一有線連接(這樣在此情況中它被視作在MBAN之外)。
第5至8圖繪示在一IEEE 802.15.4網路中一裝置與一協調者之間的資料傳遞。三種基本類型的傳遞在IEEE 802.15.4中被定義：
(i)資料傳遞給作為接收端之一協調者，一裝置(發送器)發射它的在星型與點對點拓撲中都使用的資料給該協調者；
(ii)自作為發送器之一協調者的資料傳遞，其中該裝置接收在星型與點對點拓撲中都使用的資料；
(iii)僅在點對點網路中使用之兩對等端之間的資料傳遞。
第5與6圖描繪分別針對有信標與非信標情況之自裝置(網路裝置11)與協調者(協調者10)的一傳遞。不同在於，在有信標情況中裝置1在CFP中使用CSMA-CA或在CAP中使用一GTS來發送資料(資料訊框42)之前必須等待接收一信標訊框41；而在非信標情況中正常的是非信標訊框及裝置11使用CSMA-CA來隨意發送一資料訊框42。在任一情況下，該協調者藉由發射一可取捨的確認訊框或ACK 43來確認資料的成功接收。這些不同類型的訊框在下面被更加詳細的闡述。
如果接收端由於任一原因而無法處理接收到的資料訊框，訊息不被確認。如果發送器在某一週期之後沒有接收一確認，則假定，傳輸不成功而重試該訊框傳輸。如果一確認在幾個重試之後仍未收到，發送器可選擇終止事務或再試一次。當確認不被需要時，發送器假定傳輸是成功的。
第7與8圖闡述自一協調者10到一裝置11的資料傳遞。當該協調者希望在一有信標的WPAN(第7圖)中傳遞資料給一裝置時，它在信標訊框41中指示資料訊息正擱置。該裝置週期性地聆聽該信標訊框及，如果一訊息正擱置，發射透過CSMA-CA而請求資料之一資料請求(MAC命令)44。協調者10藉由發射一確認訊框43來確認資料請求的成功接收。擱置資料訊框42接著使用時槽式的CSMA-CA而被發送或如果可能在確認之後立即發送。裝置11可藉由發射一可取捨的確認訊框43來確認資料的成功接收。該事務現在被完成。在成功完成資料事務之後，訊息被從信標中的擱置訊息列表中移除。
在非信標的情況中，已為一特定裝置11準備資料之協調者10必須等待相關裝置的一資料請求44，在競爭的基礎上發送。在接收這一請求之後，該協調者立即發送一確認訊框43(這也可被用來表示無資料就緒，如果情況如此)，之後是資料訊框42，裝置11響應於此可發送另一確認訊框43作為回應。
為了簡單，上面程序僅考慮了裝置與協調者之間的資料傳遞之上面第(i)與(ii)種情況，但在一點對點網路中，如上已提及，資料傳遞一般透過機制(iii)而發生，涉及一或一個以上中間節點，這增加了所涉及的碰撞與中繼之風險。
如第5至8圖所示，在一IEEE 802.15.4網路中的通訊包含四種不同類型的訊框：
-信標訊框41，被一信標型協調者用來發射信標
-資料訊框42，用於所有的資料傳遞
-確認訊框43，用於確認成功的訊框接收
-MAC命令訊框44，用於處理所有的MAC對等實體控制傳遞，諸如資料請求。
各該四種訊框類型的結構十分相似，且針對作為範例的一資料訊框42而被繪示在第9圖中。在圖中，兩水平條分別表示MAC子層與PHY層。時間從左到右推進，及訊框的每一連續欄位之時間長度被繪示(按八位元組計)在相關欄位的上面。每一訊框由以一特定順序的一系列欄位構成，這些欄位從左到右以它們被PHY所發射的順序來被描繪，其中最左邊位元在時間上首先被發射。在每一欄位中的位元從0(最左邊且最少有效)到k-1(最右邊且最有效)被計數，其中欄位的長度是k位元。
透過資料訊框42而要被發送之資料源自上層。該資料酬載被傳遞給MAC子層且被稱為MAC服務資料單元(MSDU)。該MAC酬載在前面被加一MAC標頭MHR同時後附一MAC標腳MFR。該MHR包含訊框控制欄位50(見下面)、資料序列號(DSN)、定址欄位、及可取捨的輔助安全標頭。該MFR由一16位元訊框檢查序列FCS構成。該MHR、MAC酬載、及MFR一起形成該MAC資料訊框(即，MPDU)。該MPDU作為變成PHY酬載之PHY服務資料單元PSDU被傳遞給PHY。該PHY酬載前面被加一包含一前文序列及一訊框開始符號SFD之同步標頭SHR、及一包含該PHY酬載按八位元組計的長度之PHY標頭PHR。該前文序列及該資料SFD使得接收器能夠實現符號同步。該SHR、PHR、及PHY酬載一起形成該PHT封包(該PHY協定資料單元PPDU)。
信標訊框41、確認訊框43及MAC命令訊框44具有一相類似的結構，除了該MAC酬載在每一情況中具有一不同功能，該確認訊框沒有MAC酬載。再者，信標訊框41、確認訊框43及MAC命令訊框44源於MAC子層而不涉及上層。
在每一種訊框類型中所使用的訊框控制欄位50在第10A圖中被更加詳細的繪示。它由如所闡述因為不同目的而被分配給子欄位之16位元構成。特別地，該欄位的首三位元表示訊框類型51：信標訊框41、資料訊框42、確認訊框43及MAC命令訊框44。該訊框類型被表示的方式在第10B圖中被繪示。訊框類型位元51之後是一單一位元安全啟用子欄位52，表示安全是否由MAC層啟用。這之後是一訊框擱置子欄位53，用以指示發送器是否具有接收端的更多資料。後面是一Ack。請求子欄位54係指示是否一確認是被接收端請求。在這之後是一些進一步的子欄位55到59，它們用於定址目的或被保留在目前IEEE 802.15.4規格中。
如所提及，第10B圖是訊框類型子欄位51可能的位元值之一表格，繪示的是值100至111在IEEE 802.15.4規格中未被使用。
MAC命令訊框44在結構上與第11A圖所示十分類似。在此情況中，酬載包括一命令訊框識別符440來識別MAC命令訊框所表示之命令的類型。如第11B圖的表格(繪示識別符440之可能的值，有一些值保留供將來使用)中所繪示，在IEEE 802.15.4中定義各種命令類型。
已概述本發明的背景，現在將闡述本發明之下的原理。
本發明處理例如透過安置在每一病人體上或周圍或置入病人體內之感測器的一MBAN而監測病人之情況。附帶一提，在隨後的說明中，諸如「MBAN」或「系統」之名詞被用來指在一特定位置之無線裝置的總數，即使在總系統中有不同的網路。
簡言之，本發明提出一種經由各自的協調者而一同進行有信標與非信標的通訊之系統。這些協調者在系統中一般是不同的硬件，但可設置在一起以便至少部分分享它們的硬體或軟體資源。下面，有信標的通訊被稱為「信標模式」且沒有信標的通訊被稱為「非信標模式」。
假定的是，至少感測器中的一些在感測一或一個以上參數中被涉及，諸如心臟速率，它可能指示病人之一威脅生命的情況(應急狀態)。本發明的實施例提供響應於一應急狀態的存在(開始)與該應急狀態的解除(結束)之宣告而在信標模式與非信標模式通訊之間切換之方法。
要予以描述的技術聚焦一雙重模式，例如基於信標與非信標的通道存取操作，供一醫療無線BAN來使網路裝置(BAN裝置，諸如醫療感測器)能夠享受這兩種模式類型的益處而不遭受個別通道存取模式的缺點。在醫療應急中的裝置被傳遞給一使用一基於信標的通道存取之主網路而非應急狀態被交遞給一受一第二協調者控制、使用一非信標模式通道存取之次網路。原則上，如果需要，若該兩模式在兩正交通道上運作則這兩模式可在同一實體協調者內運作，使得一模式並不干擾另一模式。
一初始組態階段是基於此假定，即，所有的裝置無論其狀態(應急或非應急)皆在非信標模式之一協調者下運行。在此實施例中，在此初始組態之後，如果一組感測器被附於一病人體及此組感測器中僅一感測器進入應急，與該病人相關之整組感測器(例如，它們具有相同的病人ID)將被交遞至互斥信標模式協調者。當附於一病人之感測器中無一處於應急警報狀態，所有的感測器將交遞回到原始、非信標模式協調者。與習知的交遞機制不同，這種類型交遞的觸發是改變應急狀態。(習知交遞機制通常是基於接收到的信號強度、接收到的信號品質及/或離一協調者類型裝置諸如一基地台的距離)。
另外，本發明之實施例處理行動性的問題。考慮處於應急的感測器是行動的(例如，一病人正移動)而協調者相對靜止，固定於牆上、天花板上或一極之一情形。在這一情形中，網路裝置隨著它們地理地移動將需要自一協調者交遞至另一協調者。如下闡述，對交遞的觸發是基於裝置的位置與對在上行鏈路或下行鏈路上所接收到的信號品質之一可取捨的措施之一組合。裝置位置與可取捨的接收到的信號品質參數提供不需要信標模式協調者之一強健交遞。一最佳相鄰協調者可與每一BAN裝置的位置關聯，例如透過網路計畫或透過「步行」測試被實施於網路組態階段。
可選擇地，在相鄰協調者之涵蓋區域比習知宏蜂巢設計具有一顯著的較大重疊的情況下及相鄰協調者利用正交RF通道的情況下，一最小計畫方法可被使用。有顯著大重疊涵蓋區域，基於位置的換手可易於手動或自動地組態，而不需要詳盡的網路計畫。例如，一自動換手可藉助距離方面最近的協調者來完成。裝置位置可以是附於同一病人之一組BAN裝置的平均位置。可選擇地，位置可以是離當前活動協調者最遠裝置。在一套/組裝置附於一病人的情況下，交遞觸發將應用於整套/組裝置。
本發明之一實施例現在將參考第12至22圖而予以描述。
首先，假定的是，兩星型或點對點網路(拓撲)已被建立，其中該等網路之一網路受一主協調者控制以供應急及另一網路具有一第二協調者供非應急應用。假定的是，在初始組態之後，我們有兩網路並排運行。該主協調者是一信標模式協調者供處於應急的網路裝置使用。該第二協調者是一非信標模式協調者，能夠被任一網路裝置使用但比主協調者提供一較不可靠的通訊鏈接。
為了當前目的，假定僅系統中的醫療裝置能夠「處於應急」；可能有其它不是為醫療目的而使用的網路裝置13。在第12圖所示之一初始狀態中，所有的網路裝置，處於應急中的裝置11E與不處於應急的其它裝置13都與非信標模式協調者10NB通訊。實雙箭頭指示一般是雙向之低優先級鏈接，例如一感測器節點將自它的協調者接收命令並發射它已收集的感測器資料。另一信標模式協調者10B被呈現但還沒有被任一網路裝置用於通訊。指出的是，包括處於應急中的這些裝置11E之網路裝置正使用與非信標模式協調者10NB的點對點鏈接。此拓撲，除了缺乏非信標模式協調者所分配的任何GTS之外，將傾向於降低來往處於應急之任一裝置11E的資料傳遞。因此，網路裝置(及網路裝置與非信標模式協調者10NB)之間的鏈接被繪示為「低優先級鏈接」鏈接15。
為了增強處於應急之網路裝置的通訊可靠性，主協調者被納入主動使用。亦即，在識別一或一個以上網路裝置處於應急之後，如第13圖所示，信標模式協調者10B被致使開始與應急裝置11E通訊，形成一新的主網路供應急通訊並使用(在此範例中)一星型拓撲與一信標模式通道存取，諸如TDMA-ALOHA。如圖中虛線所示，主網路提供到各該處於應急之裝置11E的高優先級鏈接14。同時，使用一基於非信標技術，已運作非信標模式協調者10NB被用來提供一第二網路，假定低優先級鏈接15如圖中實箭頭所示。指出的是，應急拓撲可以是星型或點對點技術。在點對點流量的情況中，介於信標模式協調者與應急裝置11E中間的每一節點也將由高優先級鏈接14鏈接。
雖然協調者10NB被繪示為原始在非信標模式，但是將可能的是，其當形成次網路時切換到此模式。在此情況中，主網路的優點將是較不擁擠的通道及(在使用的情況下)使用一星型拓撲取代點對點。
在描述這一雙重模式系統中所涉及的一些協定之前，對無線電能力有某些假定與考慮，以便使雙重通道存取操作以下面所闡述之一方式被實現。
1.假定，所有的裝置可自所涉及的協調者接收信標並區分協調者。
2.另一假定是，該兩協調者能夠提供不同的通道存取模式，意思是它們中之一者可在一受保證的槽模式(例如，TDMA-ALOHA)中運作而另一者將在低功率不受保證模式中運作。
3.照這樣，假定，在此操作下，自一組鏈接(網路)至另一組鏈接的干擾不是一問題。
4.亦假定，對無線電通道的存取與所涉及協調者的頻帶a.在時域中2.或頻域中c.或頻域與時域中切換。
協定1：設定雙重通道存取機制的組態與交遞
第14圖描述在上面第12與13圖所予以描述之極度應急下設定雙重通道存取機制的組態與交遞之協定。在第14圖(及下面類似的圖)中，垂直軸表示時間。沿著水平軸，各不同裝置類型在各自的行中被繪示，允許它們各自的功能被分開。第一行表示非信標模式協調者10NB；第二行表示進入一應急狀態之一或一個以上網路裝置；第3行表示其它網路裝置(醫療的與非醫療的)，它們中的一些也可進入應急狀態及進而被傳遞給同一組，如同處於應急之醫療網路裝置11E；且最後一行是信標模式協調者10B。過程流程如下：
S10：最初，及在設定組態期間，所有的裝置被分配給基於非信標的協調者。因此，如所示沒有裝置以信標模式運作。
S11：設想一或一個以上網路裝置宣告一應急，例如由於一感測參數的值達到一臨界水平。每一個此種裝置稱為「處於應急」。附帶說明，網路裝置未必本身要做應急狀態的初始判定，因為應急狀態可被一些較高層級的裝置通知。
S12：假定處於應急的裝置11E提供一應急指示給非信標模式協調者10NB。此可選擇性地以另一方式提供，例如透過附於系統之一較高層級控制單元。
S13：非信標模式協調者10NB識別一相關組內的所有裝置。例如，附於一醫院內同一病人的所有裝置可在一病人ID號的基礎上或以一些其它方式而分組。因此，在步驟S12組中該等裝置中之一裝置提供該指示可是足夠的。
S14&S15：作為一組之應急裝置11E被命令交遞且同步於信標模式協調者10B所形成的信標網路。因此，非信標模式協調者10NB不僅在步驟S14發送一命令到處於應急的該(等)裝置，且發送步驟S15所示之一命令到其它裝置來致使該組裝置開始交遞。
S16&S17：處於應急之裝置11E以及在同一組中的任何其它裝置準備好同步於信標模式協調者10B。它們藉由聆聽來自信標模式協調者的下一信標信號來完成此步驟，該信標信號在整個網路上廣播。因此，自身產生一應急或屬於作為一應急裝置的同一組之第三行中的裝置也能夠加入有信標網路。
S18&S19：交遞完成，在此之後，該組裝置加入信標網路，及因此在高優先級鏈接受信標模式協調者10B服務。雖然未示於第14圖，但是任何其餘組外的裝置(諸如非醫療裝置)停留在非信標模式協調者10NB所服務之非信標模式網路。
因此，在本發明實施例上述交遞中，所有附於一病人的感測器作為一組而被交遞。換言之，假定，即使一單一感測器裝置進入應急，所有其它的感測器裝置(或一預選定子集)也將交遞給基於互斥信標的網路。
協定2：不再處於「應急」狀態的網路裝置之交遞
當信標模式網路操作，一或一些裝置走出應急狀態是可能的。在這一情況下，感測器裝置可被交遞回到原始協調者。如第15圖所示，原始協調者將確保所有附於同一病人之同一組裝置(或一子集)在處理它們回到原始非信標模式、非應急網路之前走出應急。
S20：在初始狀態，假定，信標模式與非信標模式網路與每一模式中的一些裝置一同運行。
S21：處於應急之一組網路裝置11E中之一走出應急；換言之，應急狀態至少是就該裝置而言被解除，例如由於它感測的參數不再處於一臨界值。
S22：裝置11E發送一不在應急的指示給信標模式協調者10B。
S23：信標模式協調者相應地發送一請求給同一組中的其它裝置以報告它們的狀態。(這當然假定每一裝置充分自覺而為之；在網路裝置自身無法判定應急狀態之一可選擇安排中，此步與下一步將被忽略)。
S24：組中的其它裝置向協調者10B確認它們的狀態。亦即，每一裝置確認其不在處於應急；例如，正由討論中的網路裝置所感測之一病人生命參數的當前值在一可接受的範圍內。
S25：一旦協調者10B滿意於不再有需要將應急組中的裝置11E保持在信標模式網路中時，協調者10B發送一交遞請求給組中的所有裝置。
S26：組中的裝置切換至非信標模式。
S27&S28：裝置11E嘗試找到範圍內的一非信標模式協調者(在不只一這樣的協調者可用的情況下，最近的協調者或提供最強信號的協調者被選擇)。在找到一非信標模式協調者之後，它們以非信標模式網路註冊其自身。
S29：交遞現在被完成，使得該組裝置現在在低優先級鏈接與非信標模式協調者10NB進行通訊。雖然未繪示，但是經由信標模式協調者10B之高優先級鏈接可為仍處於應急之另一組裝置而被保持，例如監測另一病人的一組裝置。
協定3：具有基於定位機制：感測器裝置行動性的最小裝置功能之雙重存取模式操作的交遞程序
在一些情形中，網路裝置可以是行動的，或換言之，能夠相對它們的協調者移動。例如，在一醫院，每一組附於一病人的感測器將相對於附於床或牆等的固定協調者而移動，因為病人移動或被移動。
在此情況中，有一可能性，即：在一保證時槽形成一互斥組TDMA裝置之一應急裝置或已被新協調者10B所接收之一組應急裝置，可開始自它的協調者移開(例如，兩應急病人之一字互斥協調者移開)。在此行動性之下，可能的是，信標模式協調者10B將不再能夠保持應急裝置的服務品質。這裡主要關注的是此事實，即如果移動感測器試圖接受傳統交遞程序的不斷更新，這可導致應急裝置快速的電池消耗。
為了避免這一情況，第16圖中的第二交遞方案可被用來盡可能避免感測器裝置功能。亦即，行動需要與處於應急之感測器裝置的發送信號被最小化以避免不必要的電力消耗。假定，有一定位實體(例如，現有的UWB技術)能夠告訴每一協調者每一感測器與其它可用協調者的位置。也假定，信標模式協調者10B(互斥應急協調者)具有一可接收的傳輸範圍或安全存取半徑，超過它將會被觸發。較佳地，此半徑是可靠通訊的安全距離。剛好超過安全半徑，裝置將仍能夠聽取協調者，但是連接的品質將降至互斥醫療應急操作之一不可接受水平，因為網路裝置進一步移離超過安全半徑。最後，假定，複數網路裝置被附於同一病人，及這些網路裝置在感測中被作為一組來對待，如果一裝置宣告一應急，組中所有裝置(即，附於同一病人的一些或所有感測器)處於應急。
程序如下：
S30：程序自一初始狀態開始，其中假定處於應急之一些網路裝置11E經由主網路與信標模式協調者10B通訊。
S31：假定，一網路裝置11E或一組裝置自協調者移開使得其現在在安全通訊半徑之外。通常，在上述假定的情形中，這將由於病人移動(或被移動)而發生。
S32：信標模式協調者10B以一些方式來檢測位置的變化(透過內部手段或由一外部源來通知位置)
S33：信標模式協調者10B等待一短時間以避免作用於短期運動。亦即，避免基於隨機或短期運動之一交遞。
S34：信標模式協調者10B檢查同一組中其他感測器(網路裝置)的位置。如前一樣，「組」可以是例如一部分或所有附於同一病人之感測器。
S35：協調者10B判斷該組是否(仍)在安全半徑之外。組中裝置的一平均位置可被用於此目的。如果不是(例如，如果該組感測所附的病人已移回較近於協調者10B)，不採取行動。
S36：如果該組被判斷在範圍外，信標模式協調者10B決定交遞該組感測器的最佳候選協調者。這通常就是最接近於該組當前位置的協調者，但是決定可考量其他協調者上的現有負載、組的運動趨勢、及其它因素。指出的是，一協調者不需要是一與網路裝置(感測器)不同類型的裝置及在一些實施中，一些或所有網路裝置能夠充當可自其中選擇的數個可能候選者。
S37：協調者10B發出一交遞請求給處於應急的該組感測器。這包括對最近相鄰協調者(較佳地信標模式)的一識別，藉此該組係用以建立通訊鏈接。
S38：該組感測器隨著新協調者10’B完成交遞來註冊其自身。指出的是，這不僅僅是個別裝置的交遞，而是處於應急狀態之一組裝置的交遞；實際上，病人自身已被交遞。以此方式，確保病人例如當他們在一醫院周圍移動時可受監測、跟隨及追蹤。
協定4：具有基於定位機制與信號品質的最小裝置功能之雙重存取模式操作的交遞程序
在一第四協定下(第17圖)，因考慮第三協定(第16圖)假定一類似的情況。差異在於此外信號品質或無線電鏈接的品質受監測以協助在位置資訊上交遞的決策。
S40-S45：分別如上步驟S30-S35。
S46：主協調者10B決定與該組感測器的SIR及/或無線電鏈接品質是否小於一可接受的門檻值。這裡，SIR可僅為自感測器自身所接收到之上行鏈路信號的強度或可為如感測器所報告回來下行鏈路上信號強度的一值。如果信號是可接受的，則無論感測器組的運動，(還)沒有對一交遞的任何需要，因此不採取行動。
S47：如果，除了感測器移出安全半徑之外，它們的信號強度也是不可接受的低，這就是說一交遞是需要的。協調者10B為此目的決定最佳候選。
S48：一交遞請求被發出給該組感測器，指定哪一新的協調者被使用。
S49：該組隨新協調者10’B完成交遞程序而註冊其自身。
為了宣告應急狀態，至關重要的是將應急狀態傳送至其他無線電節點。現在將給出上述協定如何適應於一像當前開發中自IEEE802.15.4推出的IEEE 802.15.6之通訊標準中的一些說明。
第18與19圖闡述在本發明之一實施例中對IEEE 802.15.4訊框格式之一第一可能的修改，以藉由加入標為「應急」的一新位元並使其適於IEEE 802.15.6來適應應急情況。在此修改中，容許一新穎應急訊框類型但不許對IEEE 802.15.4中訊框類型作任何其它改變。
如已概述，IEEE 802.15.4提供各不同訊框類型，包括信標訊框41、資料訊框42、確認訊框43與MAC命令訊框44。在IEEE 802.15.6中，實施上述程序的一方式是引入一進一步的訊框類型：應急訊框以便對目的地裝置宣告應急狀態(非應急狀態)。
第18圖繪示一訊框控制欄位500的格式，其對應於已針對IEEE 802.15.4而提出之第10A圖的訊框控制欄位50。如由比較第18圖與第10A圖將可見，與IEEE 802.15.4中一樣位元0-2表示訊框類型501，但如第19圖所示改變了可能的訊框類型值。在前面保留的值100-111(見第10圖)中，位元值「111」現在被用來表示新穎的應急訊框類型。值100至110繼續作為保留值供以後使用。
在訊框控制欄位500的剩餘子欄位中，除了位元第7號新近被用作應急狀態的一旗標(例如，「1」=應急及「0」=非應急)外，基本上與第10A圖訊框控制欄位50的元素相同。位元8現在被用來表示一Ack政策(對應於第10A圖Ack請求子欄位)。安全啟用位元502、訊框擱置位元503、PAN ID壓縮506、目的地定址模式507、訊框版本508及源定址模式509之子欄位具有與IEEE 802.15.4訊框控制欄位50中它們的對應項相同的功能。
第20與21圖在本發明之另一實施例中闡述對IEEE 802.15.4訊框格式之一第二可能的修改，以不僅包含應急訊框類型而且包含其它新穎特徵，包括包含一所謂的立即Ack之一更靈活的ACK規定、一網路裝置的電池狀態之一指示、及「緊急」的一指示。
第20圖訊框控制欄位500’的格式與第18圖訊框控制欄位500的不同主要在於，Ack政策的單一位元505被定義不同ACK類型之兩位元替換，且在於，電池狀態與「緊急」(即，剩餘電量或電壓水平)的指示被需要額外位元(圖中標為「延伸位元」0-3)之新子欄位511與512表示。如可見，各兩位元被分配給各該「緊急」與「電池電量」，針對每一兩位元允許多達四層級被定義。這些新子欄位的意思與使用超出了本發明的範圍，但是這裡指出的是，本發明中它們可結合信標模式/非信標模式切換使用以在一BAN的裝置之間提供更靈活的發送信號。
此情況中IEEE 802.15.4修改的訊框類型值如第21圖所示，其應與第10B與19圖比較。與第19圖的實施例比較，不同在於，前者保留的值100及101現在被用來表示兩類型的ACK，即立即ACK與延遲ACK，立即ACK例如供處於應急的裝置使用以確認接收資料的每一個別訊框來獲得一更加可靠的通訊。立即ACK是同一申請人之一共同待決申請案的標的。
作為將本發明的新穎特徵整合成已提出的訊框結構中之一進一步技術，一MAC命令訊框之命令訊框識別符(回參第11A與11B圖)可被使用。第22圖繪示一MAC命令訊框44’所需要的修改，包括將新命令類型「應急通知」與「交遞」加入到可能值的表格中，佔用前面未使用的值0x0a與0x0b。除了定義新命令類型之外，命令訊框識別符之後的酬載被用來提供命令的資訊(背景)。在第22圖所示MAC命令訊框44’的情況中，一酬載的一範例將是接收裝置應交遞之最適合候選協調者的ID。一可選擇的酬載在一命令類型「應急通知」的情況下將是一相關的時間值，諸如應急狀態的一歷時(按ms計)或直至應急狀態是有效的一時間(ms自一已知時序參考點或時期以來)。
總之，本發明之一實施例可提供如下特徵：
*在一網路系統中，應急裝置到一基於互斥TDMA的網路之交遞的構想。當附於一病人體之感測器裝置組中一裝置進入應急時，交遞被觸發。附於一病人之整組MBAN感測器在網路之間被交遞。
*如果附於病人之整組感測器走出應急則交遞被觸發之一交遞回來機制。
*當一應急病人正移動離開協調者，如果感測器移動超過離協調者的一存取半徑，QoS及無線電鏈接的品質可降低。在這一情況下，協調者知道感測器位置及一基於位置的交遞被觸發。作為位置之外的一選擇，QoS、SIR或無線電鏈接的品質也可被考慮來作出交遞決策。
*包括針對IEEE 802.15.6的應急格式之一新的控制訊框結構。
因此，下面的優點可被實現：
*本發明之實施例針對一醫療無線BAN賦予一雙重模式、基於信標與非信標的通道存取操作能力，這使BAN裝置能夠享受兩種模式類型的益處(例如，受保證的通量與低電力消耗)而不遭受個別通道存取模式的缺點(例如，高通道存取潛時與高電力消耗)。
*上述雙重模式操作可增加一醫療無線BAN之通訊可靠性，特別是對醫療應急情況而言。
本發明之實施例透過使用MBAN在方便應急管理上可發揮一關鍵作用。下面的情形可被注意到：
(i)全球數億有心臟問題的病人藉由使用在他們的身體上形成一MBAN之無線感測器可在醫院或在家受監測。MBAN可為此類病人提供額外的行動性。然而，對於處在諸如不正常心臟作用或更嚴重情況諸如心臟病發作情形之下的此組病人而言，獲取一可靠的通訊通道來確保將不會失去應急或報警信號是至關重要的。本發明提供一安全應急觸發機制以藉由發送一「應急確認」來使得所涉及的所有實體意識到一應急。
(ii)全球數億人遭受糖尿病。最近已考慮葡萄糖量測的可植入或不開刀方法。一MBAN可用來24小時監測一病人的葡萄糖水平資訊。存在病人的葡萄糖水平在圖表下而需要病人的應急地理位置與其它必需的緊急醫療程序之情況。
(iii)MBAN可用來收集在監測一特別護理病人時所感測的資料，其中資料的損失可威脅生命。
(iv)改進勞動成本與一醫療系統中應急響應的效率。
(v)提高一醫療MBAN系統中之應急意識。
(vi)藉由自動化應急響應過程來減小勞動成本。
(vii)雖然主要是針對低資料速率應用來設想，但是MBAN可有傳遞流視訊/音訊資料的應用，其中個別封包的損失是重要的且影響品質。錯誤資料可對應急情況中疾病的診斷具有一負面影響。
(viii)對於醫療診斷，NMR或X射線影像需要非常清晰以便醫生正確地診斷病人。因此，再次，可靠的資料傳遞是必不可少的。
總之，本發明提供在非信標模式通訊之一第一協調者(10NB)與信標模式通訊之一第二協調者(10B)所服務之一無線感測器系統中執行網路裝置(11E、13)的通訊之一技術，與至少一實體相關之網路裝置受監測且該方法包含以下步驟：最初，將所有網路裝置(11E、13)置入該第一協調者(10NB)所服務之一第一網路；由相關網路裝置(11E)之感測器監測該或每一實體之一或一個以上參數；將感測器資料自第一網路中的網路裝置發射至該第一協調者(10NB)；藉由使用監測的參數來檢測一該實體之一應急狀態的開始或結束；響應於一該實體應急狀態的開始之檢測，將相關網路裝置(11E)交遞至該第二網路；將感測器資料自第二網路中的網路裝置發射至該第二協調者(10B)；響應於一該實體應急狀態的結束之檢測，將相關網路裝置(11E)交遞至該第一網路。
本發明可採用一新穎網路裝置(感測器)、協調者、或上述硬體模組的形式，且可藉由更換或修改網路裝置的處理器及/或每一協調者所執行之軟體來實施。
因此，本發明的實施例可在硬體中、或作為運行在一或一個以上處理器上的軟體模組、或此兩者之一組合上而實施。發明也可被體現為用以執行部分或全部本文所予以描述的任何技術之一或一個以上裝置或設備程式(例如，電腦程式及電腦程式產品)。體現本發明的此類程式可儲存在電腦可讀取媒體上，或例如可以是一或一個以上信號的形式。此類信號可以是自一網際網路網站可下載或在一載體信號上提供或任一其它形式之資料信號。
雖然上述說明僅涉及一應急狀態的存在或不存在，但這些不是一被監測實體諸如一病人僅有的兩種可能情況。例如，諸如「異常」之一第三情況可被引入來表示病人(更正確地陳述，一特定被感測的生命參數值)儘管還未進入一應急條件但令人擔心。這可被顯式宣告或藉由不立刻宣告應急狀態的結束，而是等待直至感測值已達到一正常讀數而被隱含定義。換言之，如果病人滑回一應急狀態，則較佳的是延遲交遞至非信標模式協調者。
雖然上述說明僅涉及諸如一MBAN之一無線感測器網路中的感測器與協調者，但一MBAN可能包括這些種類裝置以外的其它裝置。可能地，一些介入病人護理的手段，諸如一藥物分發機制，在協調者的無線控制之下可被安排在網路中。因此，高優先級鏈接不需要被限定為控制感測器及它們的通訊，但在一應急狀態中可被用來例如將一藥物傳送給病人以建立一生命參數(例如，心臟速率)。
如上已述，一MBAN在與協調者的通訊中(未必經由MBAN本身)也可提供有一些形式的中央控制與監測單元。這一中央控制例如可被包含在宣告應急狀態的開始或解除當中。
上述說明有關用以判定一病人的一醫療應急之技術，因為這被視作本發明的一重要應用。然而，它不是唯一可能的應用。感測器在非醫療情況中可被用來監測一生命體。例如，使用上面描述的相同技術可監測任何處於危險的人(實例：老年或虛弱者、或兒童；處於危險環境中的人，等)。在此情況中，應急情況可代表某一形式的實體威脅諸如一事故。諸如脈搏、溫度、加速等之此類生命參數的感測器將在此情況中特別有用。在應急狀態中，期望的是盡可能提供正如在醫療情形中一樣之一高優先級鏈接。
在一人或其它生命體的BAN之外應用本發明有許多可能性。一可能性是一WSN，其能夠檢測工業應急，諸如一關鍵任務工業環境(例如，一發電站)中之許多可能的情形。這可應用於一工廠環境中的多個控制點。例如，我們可考慮一工廠的加熱設備中的溫度感測器或食品生產線的壓力門檻值。這一系統中信標模式與非信標模式協調者的雙重使用可正如醫療應急一樣應用於這些系統中的應急。因此，在申請專利範圍中「實體」一詞係被解釋為涵蓋除一生命體外之任一此類的工業環境。
雖然上面說明以範例方式已參考IEEE 802.15.4與IEEE 802.15.6，但是本發明可應用於無論是否依據IEEE 802.15.6而運作之任一類型基於訊框的無線感測器網路或MBAN，以及即使不是醫療身體區域網路卻具有對在應急情況中通訊之改進可靠性的一需求之其它類型的BAN。
10．．．協調者
10NB．．．非信標模式協調者
10B．．．信標模式協調者
11、11A、11E、13．．．網路裝置
11B、11C．．．中間裝置
11E．．．醫療網路裝置
14．．．高優先級鏈接
15．．．低優先級鏈接
30．．．超框
31．．．信標訊框
32．．．槽
33．．．受保證的時槽
34．．．閒置週期
36．．．競爭存取週期
37．．．無競爭週期
41．．．信標訊框
42．．．資料訊框
43．．．確認訊框
44．．．資料請求、MAC命令訊框
44’．．．MAC命令訊框
50、500、500’．．．訊框控制欄位
51、501．．．訊框類型位元
52、502．．．安全啟用子欄位
53、503．．．訊框擱置子欄位
54．．．請求子欄位
55~59．．．子欄位
100．．．WPAN
101、102．．．頻帶
105．．．MAC子層
S10~S19、S20~S29、S30~S38、S40~S49．．．步驟
505．．．確認政策位元
506．．．PAN ID壓縮
507．．．目的地定址模式
508．．．訊框版本
509．．．源定址模式
511、512．．．新子欄位
第1圖說明一IEEE 802.15.4 WPAN中的協定層；第2圖說明該IEEE 802.15.4 WPAN之可能的PHY頻帶；第3圖說明一WPAN之星型與點對點拓撲；第4圖繪示一有信標IEEE 802.15.4WPAN中一超框的結構；第5-8圖說明一IEEE 802.15.4WPAN中一網路裝置與一協調者之間之可能的資料傳遞模式；第9圖繪示用於IEEE 802.15.4WPAN中的一資料訊框之一訊框格式；第10A圖繪示在第9圖訊框格式中一訊框控制欄位的結構；第10B圖是第10A圖該訊框控制欄位中訊框類型位元的迄今定義值之一表格；第11A圖繪示用於IEEE 802.15.4中一MAC命令訊框之部分的訊框格式；第11B圖是第11A圖該訊框格式中一命令訊框識別符的迄今定義值之一表格；第12圖說明一具有信標與非信標協調者且體現本發明之WPAN，處於一交遞之前的一狀態中；第13圖說明一具有信標與非信標協調者且體現本發明之WPAN，處於一交遞之後的一狀態中；第14圖繪示用以在本發明之一實施例中設定組態及交遞之一流程圖；第15圖繪示在本發明之一實施例中一交遞回到一原始協調者之一流程圖；第16圖繪示在本發明之一實施例中基於位置的一交遞之一流程圖；第17圖繪示在本發明之一實施例中基於位置與信號/連接品質之一交遞的一流程圖；第18圖繪示在本發明之一實施例中提出之訊框控制欄位之新穎結構；第19圖是第18圖該訊框控制欄位中訊框類型位元的可能值之一表格；第20圖繪示依據本發明之另一實施例而修改之一訊框格式之一訊框控制欄位的結構；第21圖是第20圖訊框控制欄位中的訊框類型值的一表格；及第22圖繪示在本發明之另一實施例中對第11A/B圖該命令訊框識別符的一修改。
10NB．．．非信標模式協調者
11E．．．醫療網路裝置
10B．．．信標模式協調者
13．．．其它網路裝置
S10~S19．．．步驟

Claims (15)

  1. 一種無線感測器系統，包含複數網路裝置，一被安排與該等網路裝置之一第一子集執行非信標模式通訊之一第一協調者，及一被安排與該等裝置之一第二子集執行信標模式通訊之一第二協調者，該系統具有依賴於該等裝置是否存在一應急狀態而決定哪一網路裝置包括在該第一或第二子集中之構件。
  2. 一種無線感測器系統，包含複數網路裝置，一被安排與該等網路裝置之一第一子集執行非信標模式通訊之一第一協調者，及一被安排與該等裝置之一第二子集執行信標模式通訊之一第二協調者，該系統具有依賴於該等裝置是否存在一應急狀態而在該第一子集與該第二子集之間交遞一或一個以上裝置之構件。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之無線感測器系統，供使用該等網路裝置來監測一或一個以上實體，其中該應急狀態是影響受該等網路裝置監測的實體之一緊急狀況。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之無線感測器系統，其中該等網路裝置係各別被分配給複數組中之一組，每一組用以監測一各自的實體，且該應急狀態是影響由該組所監測的實體之一緊急狀況，一組的該等裝置作為一單元被包括在該第一與第二子集中或在該第一與第二子集之間交遞。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之無線感測器系統，其中該應急狀態的存在或不存在是基於由該等網路裝置之感 測器所感測之一或一個以上參數的一臨界水平而被決定。
  6. 如申請專利範圍第1或2項所述之無線感測器系統，其中該第一與第二協調者被安排成自所有網路裝置被包括在該第一子集中之一初始狀態開始，響應於該應急狀態的開始而將一或一個以上網路裝置自該第一交遞至該第二子集，及響應於該應急狀態的結束而將一或一個以上網路裝置自該第二交遞至該第一子集。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之無線感測器系統，其中每一實體是一生命體。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之無線感測器系統，其應用於監測該生命體之一或一個以上醫療參數。
  9. 一種在一具有複數個包括用以監測至少一實體之感測器的網路裝置之無線感測器系統中之一協調者，該系統以各自的網路組態供該等網路裝置之同時信標模式與非信標模式通訊，其中該協調者被安排成與該等網路裝置之至少一子集非信標模式通訊，且響應於該子集之至少一網路裝置之一應急狀態存在之一判定而將該子集交遞至另一協調者以供信標模式通訊。
  10. 一種在一具有複數個包括用以監測至少一實體的感測器的網路裝置之無線感測器系統中之一協調者，該系統以各自的網路組態供該等網路裝置之同時信標模式與非信標模式通訊，其中該協調者被安排成與該等網路裝置之至少一子集信標模式通訊，且響應於該子集之一應 急狀態的一改變而將該子集交遞至另一協調者。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之協調者，其中該網路裝置的子集與處於一應急狀態的一實體相關聯，且該協調者進一步響應於該子集超出該協調者之一容許範圍之一判定及/或該子集之一信號品質低於一預定門檻值之一判定而將該子集交遞至較佳為一信標模式協調者之另一協調者。
  12. 一種使用在一無線感測器系統中用以監測至少一實體，且適於執行由下列選擇之通訊的網路裝置：(i)與一第一協調者的非信標模式通訊；及(ii)與一第二協調者的信標模式通訊；其中該模式(i)或(ii)在該系統操作期間是依賴於該實體是否存在一應急狀態而被動態地選擇。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之網路裝置，其中該網路裝置是被分配用以監測同一實體之複數網路裝置之一且該應急狀態是依據由該網路裝置或被分配給同一實體之該等網路裝置之任一者所感測之一參數的層級而被判定。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之網路裝置，其中該裝置是響應於該應急狀態存在之一判定而選擇模式(ii)，及響應於該應急狀態不再存在之一判定而選擇模式(i)。
  15. 一種在由一針對非信標模式通訊之第一協調者與一針對信標模式通訊之第二協調者所服務之各自網路所形成之一無線感測器系統中執行網路裝置通訊之方法，與 至少一實體相關聯之該等網路裝置係受監測且該方法包含以下步驟：將所有該等網路裝置置入由該第一協調者所服務之一第一網路中；用該等相關聯的網路裝置之感測器監測該實體或每一實體之一或一個以上參數；將感測器資料自該第一網路中之該等網路裝置發射至該第一協調者；藉由使用該等被監測的參數來檢測一該實體之一應急狀態的開始或結束；響應於該實體之該應急狀態開始之一檢測，將該等相關聯的網路裝置交遞給該第二網路；將感測器資料自該第二網路中之該等網路裝置發射至該第二協調者；及響應於該實體之該應急狀態結束之一檢測，將該等相關聯的網路裝置交遞給該第一網路。
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