CN104640213B - 一种无线体域网的连接建立方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种无线体域网的连接建立方法，中心节点先根据Connection Request消息的最小长度分配资源，然后在探测到有终端节点将要建立连接时，再重新为其分配较大的资源量。采用本发明既可以保证满足终端节点的需求，又可以避免***资源的浪费。

Description

一种无线体域网的连接建立方法

技术领域

本发明涉及无线体域网通信技术，特别是涉及一种无线体域网的连接建立方法。

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感知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。WBAN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、应用需求的无线体域网标准。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。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个或多个，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，终端节点需要与中心节点建立连接后才能进行数据交互。建立连接的作用是使终端节点获得中心节点分配的连接标识（Connected_NID）作为终端节点标识（ID），用于数据交互过程中的寻址。当终端节点需要与中心节点进行数据交互时，都需要与中心节点建立连接；当终端节点需要修改连接配置参数时，也可以通过连接建立过程实现连接参数重配置。

如图2所示，非连接状态的终端节点与中心节点建立连接的过程将包括如下步骤：

步骤201、中心节点不定期地向终端节点发送时间轮询（T-Poll）消息，T-Poll消息中将携带时间资源分配信息，以指示终端节点可以发送连接请求（Connection Request）消息的时间范围。

步骤202、终端节点在所述时间范围内，以一定的概率向中心节点发送ConnectionRequest消息。

本步骤中，终端节点将以一定的竞争概率（Contention Probability,CP）发送Connection Request消息，CP值的大小取决于Connection Request消息的最大发送次数R，具体的计算公式如下：

其中，表示向上取整函数，max()表示求最大值函数，即max(x,y)的函数值为x和y中的最大值。

步骤203、中心节点收到Connection Request消息后，向终端节点发送相应的确认（I-Ack）消息。

步骤204、中心节点向终端节点发送连接配置（Connection Assignment）消息。

步骤205、终端节点收到Connection Assignment消息后，向中心节点发送相应的确认（I-Ack）消息。

上述过程中终端节点发送的Connection Request消息的长度是可变的，取决于实际场景中所传输的业务情况，其最小长度是22字节。例如，当终端节点只存在上行业务时，Connection Request消息中可以只包含上行链路请求信元（Uplink Request IE）；当终端节点同时存在上行业务和下行业务时，Connection Request消息中包含Uplink RequestIE和下行链路请求信元（Downlink Request IE）。

在上述连接建立方法中，对于T-Poll消息中所指示的终端节点可以发送Connection Request消息的时间范围，由于中心节点不清楚哪些终端节点会发送Connection Request消息，也不清楚终端节点发送的Connection Request消息的大小，另外终端节点可以选择多种发送速率，不同的发送速率，如此也会影响发送信息所占的时间，所以中心节点无法获知终端节点准确的时间资源需求。保守的实现方案是中心节点每次都按照Connection Request消息的最大长度、最低传输速率来分配时间资源，以尽可能地满足各种长度Connection Request消息的发送需求。但是，这种方法将会造成资源浪费，因为并不是在每次资源分配内都有终端节点发起连接建立过程，也并不是每次终端节点发送的Connection Request消息都具有最大长度。

由此可见，目前的无线体域网的连接建立方法中，由于中心节点每次都按照Connection Request消息的最大长度、最低传输速率来分配时间资源，因而存在资源浪费的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种无线体域网的连接建立方法，该方法可以有效避免为Connection Request消息的发送所分配的时间资源的浪费。

为了达到上述目的，本发明提出的技术方案为：

一种无线体域网的连接建立方法，包括：

a、中心节点向终端节点发送时间轮询T-Poll消息，所述T-Poll消息携带为所述终端节点分配的用于发送连接请求消息的时间资源的指示信息；所述时间资源根据连接请求消息的最小长度和最大发送速率确定得到；

b、当所述终端节点需要与所述中心节点进行数据交互时，确定发送所述连接请求消息的概率，并利用所述时间资源，以所述概率向所述中心节点发送所述连接请求消息；

c、所述中心节点接收到所述连接请求消息后，向所述终端节点发送连接请求确认消息和连接配置消息；

d、所述终端节点向所述中心节点发送连接配置确认消息；

e、所述中心节点根据连接请求消息的最大长度和最小发送速率，为所述终端节点重新分配用于发送连接请求消息的时间资源，并通过T-Poll消息通知给所述终端节点；

f、当所述终端节点需要修改连接配置参数时，所述终端节点利用所述重新分配的时间资源，以所述概率向所述中心节点发送所述连接请求消息。

综上所述，本发明提出的无线体域网的连接建立方法中，中心节点先根据Connection Request消息的最小长度分配资源，然后在探测到有终端节点将要建立连接时，再重新分配较大的资源量，既可以保证满足终端节点的需求，又可以避免***资源的浪费。

附图说明

图1为现有的星型无线体域网拓扑结构示意图；

图2为现有的无线体域网的连接建立过程示意图；

图3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：中心节点先根据Connection Request消息的最小长度分配资源，然后在探测到有终端节点将要建立连接时，再重新分配较大的资源量，如此，既可以保证满足终端节点的需求，又可以避免终端节点不需要发送Connection Request消息时对***资源的浪费。

图3为本发明实施例一的流程示意图，如图3所示，该实施例主要包括：

步骤301、中心节点向终端节点发送时间轮询T-Poll消息，所述T-Poll消息携带为所述终端节点分配的用于发送连接请求消息的时间资源的指示信息；所述时间资源根据连接请求消息的最小长度和最大发送速率确定得到。

这里，根据连接请求消息的最小长度和最大发送速率，来确定为终端节点首次分配的用于发送连接请求消息的时间资源的指示信息，即先为终端节点分配较少的时间资源，以避免为终端节点分配较大时间资源可能导致的资源浪费问题。

较佳地，本步骤中可以按照确定得到所述时间资源Q1；其中，L_min为连接请求消息的最小长度；R_highest-q为连接请求消息的最大发送速率；L_ack为连接请求确认消息的长度；R_lowest-ack是连接请求确认消息的最小发送速率；pSIFS为从终端节点接收到T-Poll消息到根据该T-Poll消息发送连接请求消息之间的时间间隔；A是预设的资源分配余量。

在实际应用中，为了保证可靠性，中心节点可以以最小发送速率R_lowest-ack向所述终端节点发送连接请求确认消息。

上述公式中L_min、R_highest-q、L_ack、R_lowest-ack、pSIFS和A均为***的预设值，本领域人员可根据实际的场景进行设置具体取值。

步骤302、当所述终端节点需要与所述中心节点进行数据交互时，确定发送所述连接请求消息的概率，并利用所述时间资源，以所述概率向所述中心节点发送所述连接请求消息。

这里，当终端节点有数据交互需要时，采用中心节点初始配置的较小时间资源进行发送连接请求消息，因此，会减少资源的浪费。

现有***中，在确定向中心节点发送连接请求消息的概率时，没有对不同的业务优先级区别对待，即不考虑不同的无线体域网业务有不同的时延需求。这样，有高时延需求的高优先级业务不能得到较大的发送连接请求的概率，从而无法满足紧急事件或高优先级业务的需求。为了克服上述问题，较佳的，本步骤中可以根据业务的优先级，来确定连接请求消息的发送概率。具体可以采用下述两种方法实现这一目的：

方法一：按照确定所述概率CP。

其中，所述Pr_priority为所述终端节点所进行业务的优先级概率系数；所述R为预设的连接请求消息的最大发送次数，max（）为最大值函数。

Pr_priority表示与业务优先级一一映射的概率值。Pr_priority与所述终端节点所进行业务的业务优先级具有正比关系，即业务优先级越高，Pr_priority的值越大；业务优先级越低，Pr_priority的值越小。

如表1所示，IEEE802.15.6标准中定义了8种业务优先级，包括：背景业务（BK）、尽力而为服务（BE）、优越服务（EE）、视频（VI）、话音（VO）等。背景业务的优先级最低，紧急或植入式医疗事件报告的优先级最高，其他业务的优先级位于二者之间。

表1

在实际应用中，根据划分粒度的不同，业务优先级与Pr_priority之间可以有不同的映射方法。例如如果将业务分为两类：紧急业务和非紧急业务，业务与Pr_priority值的映射关系可以如下表2：

表2

还可以对业务进行更细粒度的划分，例如每个业务对应一个优先级，业务与Pr_priority值的映射关系如下表3所示：

业务种类	Pr_priority
		背景业务（BK）	1/8
尽力而为业务（BE）	1/8
		优越服务（EE）	1/6
视频（VI）	1/6
		话音（VO）	1/6
医疗数据或控制信令	1/4
		高优先级医疗数据或控制信令	1/4
紧急或植入式医疗事件报告	1/2

表3

方法二：按照确定所述概率CP。

其中，所述Pr_priority为所述终端节点所进行业务的优先级概率系数；所述R为预设的连接请求消息的最大发送次数，max（）为最大值函数。

这里，同上述方法一Pr_priority表示与业务优先级一一映射的概率值。Pr_priority与所述终端节点所进行业务的业务优先级具有正比关系，即业务优先级越高，Pr_priority的值越大；业务优先级越低，Pr_priority的值越小。

如方法一中所述，在实际应用中，根据划分粒度的不同，业务优先级与Pr_priority之间可以有不同的映射方法。例如，如果将业务分为两类：紧急业务和非紧急业务，则采用方法二时，业务与Pr_priority值的映射关系可以如下表4：

表4

上述方法中，由于使业务的优先级概率系数Pr_priority与业务优先级成正比关系，因此可以确保高优先级采用较大的概率发送连接请求消息，从而可以满足紧急事件或高优先级业务的需求。上述方法一采用确定CP，可以保证高优先级业务的接入概率不会下降到很小值。方法二采用确定CP，可以提高高优先级业务的接入概率。具体可由本领域技术人员根据实际需要选择一种方法确定所述概率CP。

这里需要说明的是上述方法中，表2、表3和表4给出的业务优先级与Priority之间的映射关系仅为一具体示例，在实际应用中并不限于上述关系，只需要确保业务的优先级概率系数Pr_priority与业务优先级成正比关系，即“业务优先级越高，Pr_priority的值越大；业务优先级越低，Pr_priority的值越小”，以满足紧急事件或高优先级业务的需求即可。

步骤303、所述中心节点接收到所述连接请求消息后，向所述终端节点发送连接请求确认消息和连接配置消息。

步骤304、所述终端节点向所述中心节点发送连接配置确认消息。

步骤305、所述中心节点根据连接请求消息的最大长度和最小发送速率，为所述终端节点重新分配用于发送连接请求消息的时间资源，并通过T-Poll消息通知给所述终端节点。

较佳地，本步骤中可以按照确定得到所述时间资源Q2；其中，L_max为连接请求消息的最大长度；R_lowest__q为连接请求消息的最小发送速率；L_ack为连接请求确认消息的长度；R_lowest-ack是连接请求确认消息的最小发送速率；pSIFS为从终端节点接收到T-Poll消息到根据该T-Poll消息发送连接请求消息之间的时间间隔。

本步骤中，用于在中心节点探测到终端节点的数据传输需求后，为其重新分配用于发送连接请求消息的时间资源，由于此次是根据连接请求消息的最大长度和最小发送速率来确定所述时间资源的，因此，该时间资源比较大，从而可以满足此后再次发送连接请求消息时的传输需要，确保数据交互的可靠性。

步骤306、当所述终端节点需要修改连接配置参数时，所述终端节点利用所述重新分配的时间资源，以所述概率向所述中心节点发送所述连接请求消息。

在实际应用中，有可能出现终端节点发送完连接请求后接收不到相应的确认消息，为了避免此种情况下终端节点会无休止地向中心节点发送连接请求消息，需要设置一种停止机制，以节约终端节点和***的资源开销。具体可以通过下述方法实现该目的：

如果所述终端节点发送连接请求消息后未能在预设的时间间隔后接收到所述中心节点发送的连接请求确认消息，则按照预设的周期向所述中心节点发送连接请求消息，直至达到预设的连接建立停止条件，所述连接建立停止条件包括：接收到相应的连接请求确认消息、或者连接请求消息的发送次数达到预设的最大次数阈值、或者与首次发送连接请求消息时之间的间隔达到预设的最大时间阈值。

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 (7)

1.一种无线体域网的连接建立方法，其特征在于，包括：

a、中心节点向终端节点发送时间轮询T-Poll消息，所述T-Poll消息携带为所述终端节点分配的用于发送连接请求消息的时间资源的指示信息；所述时间资源根据连接请求消息的最小长度和最大发送速率确定得到；

b、当所述终端节点需要与所述中心节点进行数据交互时，确定发送所述连接请求消息的概率，并利用所述时间资源，以所述概率向所述中心节点发送所述连接请求消息；

c、所述中心节点接收到所述连接请求消息后，向所述终端节点发送连接请求确认消息和连接配置消息；

d、所述终端节点向所述中心节点发送连接配置确认消息；

e、所述中心节点根据连接请求消息的最大长度和最小发送速率，为所述终端节点重新分配用于发送连接请求消息的时间资源，并通过T-Poll消息通知给所述终端节点；

f、当所述终端节点需要修改连接配置参数时，所述终端节点利用所述重新分配的时间资源，以所述概率向所述中心节点发送所述连接请求消息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a中按照确定得到所述时间资源Q1；其中，L_min为连接请求消息的最小长度；R_highest-q为连接请求消息的最大发送速率；L_ack为连接请求确认消息的长度；R_lowest-ack是连接请求确认消息的最小发送速率；pSIFS为从终端节点接收到T-Poll消息到根据该T-Poll消息发送连接请求消息之间的时间间隔；A是预设的资源分配余量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e中按照确定得到所述时间资源Q2；其中，L_max为连接请求消息的最大长度；R_{lowest_q}为连接请求消息的最小发送速率；L_ack为连接请求确认消息的长度；R_lowest-ack是连接请求确认消息的最小发送速率；pSIFS为从终端节点接收到T-Poll消息到根据该T-Poll消息发送连接请求消息之间的时间间隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中按照确定所述概率CP；其中，所述Pr_priority为所述终端节点所进行业务的优先级概率系数；所述Pr_priority与所述终端节点所进行业务的业务优先级具有正比关系，所述R为预设的连接请求消息的最大发送次数，max()为最大值函数，为向上取整函数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中按照确定所述概率CP；其中，所述Pr_priority为所述终端节点所进行业务的优先级概率系数；所述Pr_priority与所述终端节点所进行业务的业务优先级具有正比关系，所述R为预设的连接请求消息的最大发送次数，max()为最大值函数，为向上取整函数。

6.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：

如果所述终端节点发送连接请求消息后未能在预设的时间间隔后接收到所述中心节点发送的连接请求确认消息，则按照预设的周期向所述中心节点发送连接请求消息，直至达到预设的连接建立停止条件，所述连接建立停止条件包括：接收到相应的连接请求确认消息、或者连接请求消息的发送次数达到预设的最大次数阈值、或者与首次发送连接请求消息时之间的间隔达到预设的最大时间阈值。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c中所述中心节点以预设的最低速率向所述终端节点发送连接请求确认消息。