CN102958062B - 一种无线体域网中基于超帧的低能耗媒体接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线体域网中基于超帧的低能耗媒体接入控制方法，主要解决当前协议的竞争机制在无线体域网中耗能和无法适应数据异构性的问题。其实现步骤是，将超帧分为三个阶段：WBAN内网数据时期，个人终端同公网通信时期，WBAN预留报警时期。协调器节点在内网数据时期通过异常数据的监测、对个传感器节点缓存和时延的计算，给各节点设置三种优先级：高优先级，次高优先级，普通优先级。并根据三种优先级分配不同的时隙长度和顺序。在保证缓存和时延满足条件的情况下，充分的利用时延，更加适应于无线体域网中数据异构性的特点。由于数据的同步性，各传感器节点可不通过数据交互，仅通过本地缓存和发射速率判断是否进入睡眠模式减少了通信损耗。

Description

一种无线体域网中基于超帧的低能耗媒体接入控制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及媒体接入控制方法，具体地说是一种能够用于无线体域网中的媒体接入控制方法，该方法在保证时延和缓存的前提下，最大限度的利用时隙。

背景技术

无线体域网（WBAN,Wireless Body Area Network）是无线传感器网络（WSN,Wireless Sensor Network）的一个分支。它是由分布在人身体表面和身体内部的各个节点和个人终端等组成的通信网络。它不仅是一种新的普适医疗保健、疾病监控和预防的解决方案，还是物联网（Internet of Things）的重要感知和组成部分。

无线体域网的一个典型应用是在远程医疗监控中。可以通过人体周围的传感器节点，将人体的体征（心电信号ECG，血压，体温，血糖等）信息同步到个人终端中，可由手持终端（PDA）显示，并通过公网（GPRS等）传送到远程服务器中，以供实时预警和后续的诊断治疗。WBAN将人体成为通信的一部分，在不影响人体活动的情况下进行实时的，远程的监控，实现了网络的泛在化，方便的人们的生活。

此外，WBAN技术不仅用于医疗应用，还可以应用于娱乐业，体育运动，军事领域等等。

无线体域网主要有以下几个特点：一是由于传感器节点是可穿戴或可植入的生物传感器，因此，对WBAN的节点的体积提出了很高的要求，从而限制了传感器节点的能量和缓存。二是通信距离短，网络拓扑相对固定。WBAN的通信距离为2-5米，网络拓扑多为以个人终端为中心的星型网络。三是由于传感器节点的异构性，不同传感器之间的数据率差异较大。例如心电信号和体温信号的数据率差距就在10的5次方左右。传感器节点的主要的能量消耗在无线接口和MAC（媒体接入控制）层协议上，因此，一个低能耗的MAC层协议可以大大延长网络的生存时间。

经对现有文献检索发现，中国专利申请号201110057737.3，名称为无线体域网中基于超帧的高效媒体接入控制方法。提出了一种基于IEEE802.15.4超帧结构的媒体接入控制方法，保证了高优先级业务以更高成功率传输。但是该方案仍旧采用了IEEE802.15.4超帧结构，而竞争机制引入了额外能耗。

又经检索发现，S.J.Marinkovic,E.M.Popovici,C.Spagnol,S.Faul,and W.P.Marnane,"Energy-Efficient Low Duty Cycle MAC Protocol for Wireless Body AreaNetworks,"Ieee Transactions on Information Technology in Biomedicine,vol.13,pp.915-925,Nov 2009，提出了一种全TDMA的结构，但是不能该结构不能保证时隙的利用率。

发明内容

本发明的目的在于改进现有WBAN的MAC层协议中竞争机制耗能的缺点，提供一种基于TDMA的协议，并提出了一种时隙分配算法，保证时隙的利用率，减小通信能耗。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明涉及的硬件包括个人终端（协调器节点）和传感器节点。传感器节点依附于人体表面或植入体内，采集人体生理信息，并通过设计的协议传递到个人终端（协调器节点）中。个人终端（协调器节点）可通过802.11等协议将收集到的信息传递到家庭基站或者远程服务器中。

本发明采用星形网络的网络拓扑，基于超帧的TDMA接入方式。超帧定义为三个阶段：第一个阶段是WBAN内网数据阶段，所述WBAN内网数据阶段又包括信标期和时隙期。第二个阶段是个人终端（协调器）同公网通信阶段，可通过802.11等协议将从WBAN内网阶段收集到的信息传递到公网（GPRS）上。第三阶段是WBAN内网报警阶段，供WBAN传感器节点在睡眠情况下及时发送报警信息至协调器中。

实现本发明目的的技术思路是：改变现有的竞争机制，采用时分复用。通过数据同步使得WBAN网络的协调器拥有全局信息，可通过超帧中WBAN内网数据阶段的对时隙进行动态分配。在保证缓存不溢出、时延满足要求的前提下，尽可能的充分利用时隙。

本发明涉及的超帧第一个阶段WBAN内网数据时期包含信标期和时隙期，其媒体接入控制方法，包括以下步骤：

步骤一：布置网络结构：根据节点所需采集的生理数据信息，将采集不同数据业务的节点置于身体的相应位置。打开传感器节点的无线通信模块。

步骤二：协调器节点在网络建立时广播初始化帧，初始化帧中包括无线发射速率Rb，超帧长度T_frame，时隙长度Ts，最大时隙个数N，时隙分配顺序等协议参数。传感器节点收到初始化帧后，将协议中包含的参数记录到本地缓存中，并根据帧中时隙分配顺序，依次通过回复帧发送至协调器节点，回复帧内容包括本节点采样速率fs，缓存大小Buffer，时延要求Delay等信息。协调器收到回复后，保存到缓存中。初始化结束。

步骤三：协调器在超帧开始时进入信标期，协调器通过计算，动态分配各传感器节点在本超帧的时隙期所占用的时隙顺序及长度，通过信标帧发送给各传感器节点。

分配给各传感器节点的时隙个数由以下步骤获得：

1．超帧开始时，协调器节点根据各个传感器节点的采样率fs_i，计算出各个传感器节点的缓存值和缓存中最早采样数据到当前时间的时延。从而根据传输速率计算出各传感器节点在本超帧中要求传送的时隙数，第i个传感器节点要求传送的时隙数记为Mi。

2．传感器节点在采样过程中检测到了异常数据或报警信号，则可通过数据交互将报警信号传递到协调器。若超帧开始时检测到某传感器节点数据中有异常数据报警信号，则将该传感器节点标为高优先级。为了使报警信号及时传递，必须在本超帧内分配时隙。分配给高优先级节点的时隙个数为Mi。

3．判断普通优先级的传感器节点在下个超帧传递是否满足时延和缓存的条件，既计算普通优先级的传感器节点安排到下个超帧的内网数据阶段传输的情况下，其时延和缓存是否满足最大允许的时延和缓存条件。若不满足，则将该传感器节点标为高优先级。表示为了满足时延和缓存情况，必须在本超帧内分配时隙。分配给高优先级节点的时隙个数为Mi。直到所有高优先级的节点分配完毕或达到超帧最大时隙个数。

4．将分配给高优先级的传感器节点的时隙数累加，判断是否达到超帧中最大时隙数，即判断超帧中时隙是否有剩余。若不超过，即超帧中时隙有剩余，则判断是否有普通优先级节点中的缓存达到了一个时隙能够发送的最大数据量（Ts*Rb）即Mi是否大于1。若有，则设置为次高优先级，分配给次高优先级节点的时隙数为Mi-1。直到所有普通优先级节点的Mi都等于1或达到超帧最大时隙数。

以上所述的分配时隙数可以得出，高优先级的传感器的节点存在时隙利用不满的情况，而次高优先级的传感器节点不存在上述情况。由于传感器节点在持续的进行数据采样，因此在一个超帧中，将次高优先级的节点排在高优先级节点之前传送，可以使高优先级的传感器节点的时隙利用率尽可能大。具体的时隙分配的顺序如下：

1．选择次高优先级传感器节点。以分配的时隙数从大到小排列，将安排时隙数最大的节点最先传递，直至次高优先级传感器节点完全分配。

2．选择高优先级传感器节点，按照采样率从高到低排列，将采样率最高的节点放到次高优先级传感器节点之后，直至高优先级传感器节点完全分配（或者达到超帧最大时隙数）。

由以上可得到排列顺序，从前往后依次是：分配时隙数较大的次高优先级节点，分配时隙数较小的次高优先级节点，采样率较大的高优先级节点，采样率较小的高优先级节点。

步骤四：各传感器节点连续采集信息，将信息以先入先出（FIFO，First In First Out）的方式保存的到本地缓存中。

初始化结束后，无线通信模块默认选择关闭状态。当超帧开始时，进入时隙期后，传感器节点首先判断本地缓存中的数据是否达到一个时隙能够发送的最大数据量（Ts*Rb）。若未达到，则不接受信标帧，继续睡眠模式（关闭无线通信模块，但CPU和采样活动继续进行）。若达到，则打开无线通信模块，接收到信标帧后，进入睡眠模式，直到协调器信标帧中分配给自己的时隙到达时，打开无线通信模块，将缓存中的数据通过数据帧发送到协调器中。

数据帧内容包括：传感器采样的数据，当前缓存使用情况，异常数据报警信息。若此次超帧该节点没有分配时隙，则一直睡眠到此次超帧结束。下个超帧开始时如上述继续进行判断是否继续睡眠。

在睡眠过程中若判断出异常数据，则通过分配的时隙将报警信息添加到数据帧中发送至协调器，若此次超帧该节点没有分配时隙，则在报警阶段通过报警帧的方式发送到协调器中。

本发明具有下述优点：

1.本发明采用了全TDMA结构，减少了CSMA中退避和检测信道所带来的能耗。

2.本发明通过高优先级、次高优先级和普通优先级的设置，和基于三种优先级的动态时隙分配的方法，适应了无线体域网中的数据异构性。充分利用了时隙，从而降低能耗。

3.本发明基于协调器和传感器节点的数据同步性，设置了不需要数据交互的睡眠模式。减少了通信损耗。

附图说明

图1是本发明星型网络拓扑图。

图2是本发明中超帧结构示意图。

图3是本发明中网络建立阶段数据交互过程示意图。

图4是本发明中协调器节点动态分配时隙流程图。

图5是本发明中各传感器节点流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以无线体域网体征医疗监测为例，如图1所示，本实例中以个人终端（协调器）为中心的星型网络拓扑图。其中包括各种医学传感器节点。节点1为个人终端（协调器），节点2为血压传感器，节点3为心电信号传感器，节点4为体温传感器，节点5为脉搏传感器，节点6、7为加速度传感器，节点8为公网接入点。***包括两层，第一层为WBAN内网阶段，协调器通过内网协议收集个传感器节点采集的信息。第二层为协调器和公网接入点通信阶段，协调器将上述信息通过802.11等协议发送到公网上。

图2为超帧的示意图。本发明采用基于超帧的TDMA接入方式。1和2阶段为WBAN内网数据阶段。其中1为信标期，2为数据期。数据期中又分为多个时隙。3为个人终端同公网通信阶段。4为WBAN报警阶段，供内网传感器节点在睡眠情况下及时发送报警信号至协调器中

具体的网络搭建和信息传递方法包括以下步骤：

步骤一：布置网络结构：根据节点所需采集的生理数据信息，将采集不同数据业务的节点置于身体的相应位置。根据各传感器节点采样数据的类型（血压，心电信号，体温，脉搏，加速度），设置各节点采样数据率fs，缓存大小Buffer，允许时延Delay等信息，写入节点缓存中，打开无线通信模块。

所述传感器节点采用CC2530芯片，根据采用芯片的无线发射速率Rb=250kbps和数据包大小，选择时隙长度为Ts=5ms。根据各传感器节点允许的时延长度，选择超帧长度为T_frame=250ms。将上述信息写入协调器缓存中。

步骤二：如图3所示，协调器节点在网络建立时广播初始化帧，初始化帧中包括无线发射速率Rb，超帧长度T_frame，时隙长度Ts，最大时隙个数N，时隙分配顺序等协议参数。传感器节点收到初始化帧后，将协议中包含的参数记录到本地缓存中，并根据帧中时隙分配顺序，依次通过回复帧发送至协调器节点，回复帧内容包括本节点采样速率fs，缓存大小Buffer，时延要求Delay等信息。协调器收到回复后，保存到缓存中。初始化结束。

步骤三：如图4，时隙分配个数由以下步骤获得：

1.超帧开始时，协调器节点判断各传感器节点缓存状况，根据发送速率计算各传感器节点当前缓存所要求的时隙数。第i个节点所需要的时隙数记为Mi。

2.逐个判断是否有节点传输的数据含有报警信息，若有，将此节点标记为高优先级。为了使报警信号及时传递，分配给此节点的时隙数为Mi。直到所有含有报警信息的节点分配完毕或达到超帧最大时隙数。

3.计算普通优先级的传感器节点安排到下个超帧的内网数据阶段最后的情况下，其时延和缓存是否满足最大允许的时延和缓存条件。若不满足，则将该传感器节点标为高优先级。为了满足时延和缓存的情况，分配给此节点的时隙数为Mi。直到所有高优先级的节点分配完毕或达到超帧最大时隙数。

3.判断超帧时隙数是否有剩余，若有，判断是否有普通优先级节点中的缓存达到了一个时隙能发送的最大数据量，即Mi是否大于1，若有，则设置为次高优先级，为了充分利用时隙，分配给此节点的时隙数为Mi-1。直到所有普通优先级节点的Mi都等于1或达到超帧最大时隙数。

时隙分配的顺序由以下步骤获得：

次高优先级传感器节点在高优先级传感器节点之前传递。根据Mi从大到小排列次高优先级节点，根据采样率从大到小排列高优先级节点。

协调器获得时隙分配的顺序和数量后，将信息加入信标帧中，发送至各传感器节点中。

步骤四：如图5，各传感器节点按照独自的采样率连续采集信号，将采集到的信息按照先入先出的顺序存入到本地缓存中。在超帧开始时，根据数据发送速率进行计算，判断缓存中的数据是否达到一个时隙发送的最大字节数。若未达到，不接受信标，继续关闭无线通信模块，进入睡眠模式到当前超帧结束。若达到，打开无线通信模块，接受信标信号后关闭无线通信模块进入睡眠模式。按照超帧中分配的时隙进行数据发送，发送后立刻转入睡眠模式。若当前超帧中没有分配时隙，则一直睡眠到当前超帧结束。

步骤五：进入个人终端（协调器）同公网通信阶段，协调器通过802.11等协议将WBAN网络中收集到的信息传送到公网中。

步骤六：进入WBAN内网报警阶段，若某传感器节点在采样过程中检测到了异常数据，如果当前帧中有分配给该节点时隙，则通过时隙帧发送到协调器中，如果当前帧中没有分配给该节点时隙，则通过本阶段，通过报警帧发送到协调器中。

重复进入步骤一，进入下一个超帧的结构中。

术语说明：

WBAN：无线体域网

IOT：物联网

GPRS：通用分组无线服务

PDA：个人数字助理

ECG：心电图

CSMA/CA：载波侦听多址接入冲突避免

TDMA：时分复用多址接入

MAC：媒体接入控制

IEEE：美国电气和电子工程师协会。

Claims (3)

1.一种无线体域网中基于超帧的低能耗媒体接入控制方法，其特征在于：所述控制方法采用基于星型网络拓扑和超帧结构的TDMA接入方式；所述超帧结构包含三个阶段，第一个阶段为WBAN内网数据时期，第二个阶段为个人终端同公网通信时期，第三个阶段为WBAN预留报警时期；所述个人终端为协调器；

所述超帧第一个阶段WBAN内网数据时期包含信标期和时隙期，其媒体接入控制方法包括以下步骤：

（1）布置网络结构，将采集不同数据业务的节点置于身体的相应位置，打开传感器节点的通信模块；

（2）协调器节点在网络建立时广播初始化帧，包含网络初始化信息和分配时隙长度和顺序；传感器节点收到初始化帧后按照分配顺序依次通过回复帧将本地节点属性信息发送到协调器节点中；

（3）在超帧开始时进入信标期，协调器通过计算，动态分配各传感器节点在本超帧的时隙期所占用的时隙顺序及长度，通过信标帧发送给各传感器节点；

（4）进入时隙期后，各传感器节点通过缓存判断方法，决定接收信标或者继续睡眠；若接收信标，则通过信标帧中所分配的时隙，在时隙期时，将本地采集的信息发送到协调器中；各传感器通过缓存判断是否接收信标的方法为，传感器节点判断本地当前缓存数是否达到一个时隙能够发送的最大字节数，若达到，则打开无线通信模块，接收信标；若未达到，则继续睡眠模式；

所述协调器在信标期动态分配时隙个数的方法步骤为：

（1）协调器节点根据各传感器节点的采样率，计算各传感器节点的缓存值，和缓存中最早采样数据的时延，根据传输速率计算各节点在本超帧要求传送的时隙数；

（2）若协调器节点检测到某传感器节点有异常数据或报警信号，则将该节点标为高优先级，分配给该节点的时隙数为步骤（1）中计算所得该节点需要的时隙数；

（3）判断各普通优先级传感器节点睡眠到下个超帧传输是否满足时延和缓存的条件；若不满足，则将此类节点标记为高优先级，分配给该类节点的时隙数为上述计算所得该节点需要的时隙数；

（4）若超帧中时隙有剩余，则判断各普通优先级传感器节点中缓存数是否达到一个时隙能够发送的最大字节数；若达到，则标为次高优先级，分配给次高优先级的时隙数为该节点能够满载的时隙数，即步骤（1）中计算所得的时隙数减一。

2.根据权利要求1所述的无线体域网中基于超帧的低能耗媒体接入控制方法，其特征在于：所述协调器在信标期动态分配时隙顺序的方法为次高优先级传感器按照要求的时隙数从大到小排列在前，高优先级传感器按照采样率从大到小排列在之后。

3.根据权利要求1所述的无线体域网中基于超帧的低能耗媒体接入控制方法，其特征在于：所述超帧第三个阶段WBAN预留报警时期预留报警的判断方式为，当传感器节点处于睡眠模式，监测到异常数据信号，若当前超帧已分配时隙，则将报警信息通过数据帧发送到协调器节点；若当前超帧未分配该节点时隙，则通过预留报警时期，通过报警帧发送到协调器节点中。