一種無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法
2023-06-07 10:12:36
專利名稱：一種無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，涉及媒體接入控制方法，具體地說是一種能夠用於無線體域網中的媒體接入控制方法，該方法在保證時延和緩存的前提下，最大限度的利用時隙。
背景技術：
無線體域網(WBAN, Wireless Body Area Network)是無線傳感器網絡(WSN, Wireless Sensor Network)的一個分支。它是由分布在人身體表面和身體內部的各個節點和個人終端等組成的通信網絡。它不僅是一種新的普適醫療保健、疾病監控和預防的解決方案，還是物聯網(Internet of Things)的重要感知和組成部分。
無線體域網的一個典型應用是在遠程醫療監控中。可以通過人體周圍的傳感器節點，將人體的體徵(心電信號ECG，血壓，體溫，血糖等)信息同步到個人終端中,可由手持終端(PDA)顯示，並通過公網(GPRS等)傳送到遠程伺服器中，以供實時預警和後續的診斷治療。WBAN將人體成為通信的一部分，在不影響人體活動的情況下進行實時的，遠程的監控，實現了網絡的泛在化，方便的人們的生活。此外，WBAN技術不僅用於醫療應用，還可以應用於娛樂業，體育運動，軍事領域等
坐寸ο無線體域網主要有以下幾個特點一是由於傳感器節點是可穿戴或可植入的生物傳感器，因此，對WBAN的節點的體積提出了很高的要求，從而限制了傳感器節點的能量和緩存。二是通信距離短，網絡拓撲相對固定。WBAN的通信距離為2-5米，網絡拓撲多為以個人終端為中心的星型網絡。三是由於傳感器節點的異構性，不同傳感器之間的數據率差異較大。例如心電信號和體溫信號的數據率差距就在10的5次方左右。傳感器節點的主要的能量消耗在無線接口和MAC (媒體接入控制)層協議上，因此，一個低能耗的MAC層協議可以大大延長網絡的生存時間。經對現有文獻檢索發現，中國專利申請號201110057737. 3，名稱為無線體域網中基於超幀的高效媒體接入控制方法。提出了一種基於IEEE802. 15. 4超幀結構的媒體接入控制方法，保證了高優先級業務以更高成功率傳輸。但是該方案仍舊採用了 IEEE802. 15.4超幀結構，而競爭機制引入了額外能耗。又經檢索發現，S.J. Marinkovic, E. M. Popovici, C. Spagnol, S. Faul, andW. P. Marnane, ^Energy-Efficient Low Duty Cycle MAC Protocol for Wireless BodyAreaNetworks, 〃Ieee Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol.13，pp. 915-925，Nov 2009，提出了一種全TDMA的結構，但是不能該結構不能保證時隙的利用率。
發明內容
本發明的目的在於改進現有WBAN的MAC層協議中競爭機制耗能的缺點，提供一種基於TDMA的協議，並提出了一種時隙分配算法，保證時隙的利用率，減小通信能耗。本發明為實現上述目的，採用如下技術方案本發明涉及的硬體包括個人終端(協調器節點)和傳感器節點。傳感器節點依附於人體表面或植入體內，採集人體生理信息，並通過設計的協議傳遞到個人終端(協調器節點)中。個人終端(協調器節點)可通過802. 11等協議將收集到的信息傳遞到家庭基站或者遠程伺服器中。本發明採用星形網絡的網絡拓撲，基於超幀的TDMA接入方式。超幀定義為三個階段第一個階段是WBAN內網數據階段，所述WBAN內網數據階段又包 括信標期和時隙期。第二個階段是個人終端(協調器)同公網通信階段，可通過802. 11等協議將從WBAN內網階段收集到的信息傳遞到公網(GPRS)上。第三階段是WBAN內網報警階段，供WBAN傳感器節點在睡眠情況下及時發送報警信息至協調器中。實現本發明目的的技術思路是改變現有的競爭機制，採用時分復用。通過數據同步使得WBAN網絡的協調器擁有全局信息，可通過超幀中WBAN內網數據階段的對時隙進行動態分配。在保證緩存不溢出、時延滿足要求的前提下，儘可能的充分利用時隙。本發明涉及的超幀第一個階段WBAN內網數據時期包含信標期和時隙期，其媒體接入控制方法，包括以下步驟步驟一布置網絡結構根據節點所需採集的生理數據信息，將採集不同數據業務的節點置於身體的相應位置。打開傳感器節點的無線通信模塊。步驟二 協調器節點在網絡建立時廣播初始化幀，初始化幀中包括無線發射速率Rb，超幀長度T_frame，時隙長度Ts，最大時隙個數N，時隙分配順序等協議參數。傳感器節點收到初始化幀後，將協議中包含的參數記錄到本地緩存中，並根據幀中時隙分配順序，依次通過回復幀發送至協調器節點，回復幀內容包括本節點採樣速率fs，緩存大小Buffer，時延要求Delay等信息。協調器收到回復後，保存到緩存中。初始化結束。步驟三協調器在超幀開始時進入信標期，協調器通過計算，動態分配各傳感器節點在本超幀的時隙期所佔用的時隙順序及長度，通過信標幀發送給各傳感器節點。分配給各傳感器節點的時隙個數由以下步驟獲得I.超幀開始時，協調器節點根據各個傳感器節點的採樣率fs_i，計算出各個傳感器節點的緩存值和緩存中最早採樣數據到當前時間的時延。從而根據傳輸速率計算出各傳感器節點在本超幀中要求傳送的時隙數，第i個傳感器節點要求傳送的時隙數記為Mi。
BufferWelav fs Π
I-'^ ^------J—
MI = :■ = ·
Ts* RbTs * Ro2.傳感器節點在採樣過程中檢測到了異常數據或報警信號，則可通過數據交互將報警信號傳遞到協調器。若超幀開始時檢測到某傳感器節點數據中有異常數據報警信號，則將該傳感器節點標為高優先級。為了使報警信號及時傳遞，必須在本超幀內分配時隙。分配給高優先級節點的時隙個數為Mi。3.判斷普通優先級的傳感器節點在下個超幀傳遞是否滿足時延和緩存的條件，既計算普通優先級的傳感器節點安排到下個超幀的內網數據階段傳輸的情況下，其時延和緩存是否滿足最大允許的時延和緩存條件。若不滿足，則將該傳感器節點標為高優先級。表示為了滿足時延和緩存情況，必須在本超幀內分配時隙。分配給高優先級節點的時隙個數為Mi。直到所有高優先級的節點分配完畢或達到超幀最大時隙個數。4.將分配給高優先級的傳感器節點的時隙數累加，判斷是否達到超幀中最大時隙數，即判斷超幀中時隙是否有剩餘。若不超過，即超幀中時隙有剩餘，則判斷是否有普通優先級節點中的緩存達到了一個時隙能夠發送的最大數據量(Ts*Rb)即Mi是否大於I。若有，則設置為次高優先級，分配給次高優先級節點的時隙數為Mi-Ι。直到所有普通優先級節點的Mi都等於I或達到超幀最大時隙數。以上所述的分配時隙數可以得出，高優先級的傳感器的節點存在時隙利用不滿的情況，而次高優先級的傳感器節點不存在上述情況。由於傳感器節點在持續的進行數據採·樣，因此在一個超幀中，將次高優先級的節點排在高優先級節點之前傳送，可以使高優先級的傳感器節點的時隙利用率儘可能大。具體的時隙分配的順序如下I.選擇次高優先級傳感器節點。以分配的時隙數從大到小排列，將安排時隙數最大的節點最先傳遞，直至次高優先級傳感器節點完全分配。2.選擇高優先級傳感器節點，按照採樣率從高到低排列，將採樣率最高的節點放到次高優先級傳感器節點之後，直至高優先級傳感器節點完全分配(或者達到超幀最大時隙數)。由以上可得到排列順序，從前往後依次是分配時隙數較大的次高優先級節點，分配時隙數較小的次高優先級節點，採樣率較大的高優先級節點，採樣率較小的高優先級節點。步驟四各傳感器節點連續採集信息，將信息以先入先出(FIFO，First In FirstOut)的方式保存的到本地緩存中。初始化結束後，無線通信模塊默認選擇關閉狀態。當超幀開始時，進入時隙期後，傳感器節點首先判斷本地緩存中的數據是否達到一個時隙能夠發送的最大數據量(Ts*Rb)。若未達到，則不接受信標幀，繼續睡眠模式(關閉無線通信模塊，但CPU和採樣活動繼續進行)。若達到，則打開無線通信模塊，接收到信標幀後，進入睡眠模式，直到協調器信標幀中分配給自己的時隙到達時，打開無線通信模塊，將緩存中的數據通過數據幀發送到協調器中。數據幀內容包括傳感器採樣的數據，當前緩存使用情況，異常數據報警信息。若此次超幀該節點沒有分配時隙，則一直睡眠到此次超幀結束。下個超幀開始時如上述繼續進行判斷是否繼續睡眠。在睡眠過程中若判斷出異常數據，則通過分配的時隙將報警信息添加到數據幀中發送至協調器，若此次超幀該節點沒有分配時隙，則在報警階段通過報警幀的方式發送到協調器中。本發明具有下述優點I.本發明採用了全TDMA結構，減少了 CSMA中退避和檢測信道所帶來的能耗。2.本發明通過高優先級、次高優先級和普通優先級的設置，和基於三種優先級的動態時隙分配的方法，適應了無線體域網中的數據異構性。充分利用了時隙，從而降低能耗。3.本發明基於協調器和傳感器節點的數據同步性，設置了不需要數據交互的睡眠模式。減少了通信損耗。
圖I是本發明星型網絡拓撲圖。圖2是本發明中超幀結構示意圖。圖3是本發明中網絡建立階段數據交互過程示意圖。圖4是本發明中協調器節點動態分配時隙流程圖。圖5是本發明中各傳感器節點流程圖。
具體實施方式
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以下結合附圖對本發明的實施例進一步描述本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。以無線體域網體徵醫療監測為例，如圖I所示，本實例中以個人終端(協調器)為中心的星型網絡拓撲圖。其中包括各種醫學傳感器節點。節點I為個人終端(協調器)，節點2為血壓傳感器，節點3為心電信號傳感器，節點4為體溫傳感器，節點5為脈搏傳感器，節點
6、7為加速度傳感器，節點8為公網接入點。系統包括兩層，第一層為WBAN內網階段，協調器通過內網協議收集個傳感器節點採集的信息。第二層為協調器和公網接入點通信階段，協調器將上述信息通過802. 11等協議發送到公網上。圖2為超幀的示意圖。本發明採用基於超幀的TDMA接入方式。I和2階段為WBAN內網數據階段。其中I為信標期，2為數據期。數據期中又分為多個時隙。3為個人終端同公網通信階段。4為WBAN報警階段，供內網傳感器節點在睡眠情況下及時發送報警信號至協調器中具體的網絡搭建和信息傳遞方法包括以下步驟步驟一布置網絡結構根據節點所需採集的生理數據信息，將採集不同數據業務的節點置於身體的相應位置。根據各傳感器節點採樣數據的類型(血壓，心電信號，體溫，脈搏，加速度)，設置各節點採樣數據率fs，緩存大小Buffer，允許時延Delay等信息，寫入節點緩存中，打開無線通信模塊。所述傳感器節點採用CC2530晶片，根據採用晶片的無線發射速率Rb=250kbps和數據包大小，選擇時隙長度為Ts=5ms。根據各傳感器節點允許的時延長度，選擇超幀長度為T_frame=250mso將上述信息寫入協調器緩存中。步驟二 如圖3所示，協調器節點在網絡建立時廣播初始化幀，初始化幀中包括無線發射速率Rb，超幀長度T_frame，時隙長度Ts，最大時隙個數N，時隙分配順序等協議參數。傳感器節點收到初始化幀後，將協議中包含的參數記錄到本地緩存中，並根據幀中時隙分配順序，依次通過回復幀發送至協調器節點，回復幀內容包括本節點採樣速率fs，緩存大小Buffer，時延要求Delay等信息。協調器收到回復後，保存到緩存中。初始化結束。步驟三如圖4，時隙分配個數由以下步驟獲得I.超幀開始時，協調器節點判斷各傳感器節點緩存狀況，根據發送速率計算各傳感器節點當前緩存所要求的時隙數。第i個節點所需要的時隙數記為Mi。
2.逐個判斷是否有節點傳輸的數據含有報警信息，若有，將此節點標記為高優先級。為了使報警信號及時傳遞，分配給此節點的時隙數為Mi。直到所有含有報警信息的節點分配完畢或達到超幀最大時隙數。3.計算普通優先級的傳感器節點安排到下個超幀的內網數據階段最後的情況下，其時延和緩存是否滿足最大允許的時延和緩存條件。若不滿足，則將該傳感器節點標為高優先級。為了滿足時延和緩存的情況，分配給此節點的時隙數為Mi。直到所有高優先級的節點分配完畢或達到超幀最大時隙數。3.判斷超幀時隙數是否有剩餘，若有，判斷是否有普通優先級節點中的緩存達到了一個時隙能發送的最大數據量，即Mi是否大於1，若有，則設置為次高優先級，為了充分利用時隙，分配給此節點的時隙數為Mi-Ι。直到所有普通優先級節點的Mi都等於I或達到超幀最大時隙數。
時隙分配的順序由以下步驟獲得次高優先級傳感器節點在高優先級傳感器節點之前傳遞。根據Mi從大到小排列次高優先級節點，根據採樣率從大到小排列高優先級節點。協調器獲得時隙分配的順序和數量後，將信息加入信標幀中，發送至各傳感器節點中。步驟四如圖5，各傳感器節點按照獨自的採樣率連續採集信號，將採集到的信息按照先入先出的順序存入到本地緩存中。在超幀開始時，根據數據發送速率進行計算，判斷緩存中的數據是否達到一個時隙發送的最大字節數。若未達到，不接受信標，繼續關閉無線通信模塊，進入睡眠模式到當前超幀結束。若達到，打開無線通信模塊，接受信標信號後關閉無線通信模塊進入睡眠模式。按照超幀中分配的時隙進行數據發送，發送後立刻轉入睡眠模式。若當前超幀中沒有分配時隙，則一直睡眠到當前超幀結束。步驟五進入個人終端(協調器)同公網通信階段，協調器通過802. 11等協議將WBAN網絡中收集到的信息傳送到公網中。步驟六進入WBAN內網報警階段，若某傳感器節點在採樣過程中檢測到了異常數據，如果當前幀中有分配給該節點時隙，則通過時隙幀發送到協調器中，如果當前幀中沒有分配給該節點時隙，則通過本階段，通過報警幀發送到協調器中。重複進入步驟一，進入下一個超幀的結構中。術語說明WBAN :無線體域網IOT :物聯網GPRS :通用分組無線服務PDA :個人數字助理ECG:心電圖CSMA/CA :載波偵聽多址接入衝突避免TDMA :時分復用多址接入MAC :媒體接入控制IEEE :美國電氣和電子工程師協會。
權利要求
1.一種無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，其特徵在於所述控制方法採用基於星型網絡拓撲和超幀結構的TDMA接入方式；所述超幀結構包含三個階段，第一個階段為WBAN內網數據時期，第二個階段為個人終端同公網通信時期，第三個階段為WBAN預留報警時期；所述個人終端為協調器。
2.根據權利要求I所述的無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，其特徵在於所述超幀第一個階段WBAN內網數據時期包含信標期和時隙期，其媒體接入控制方法包括以下步驟 (1)布置網絡結構，將採集不同數據業務的節點置於身體的相應位置，打開傳感器節點的通信模塊； (2)協調器節點在網絡建立時廣播初始化幀，包含網絡初始化信息和分配時隙長度和順序；傳感器節點收到初始化幀後按照分配順序依次通過回復幀將本地節點屬性信息發送到協調器節點中； (3)在超幀開始時進入信標期，協調器通過計算，動態分配各傳感器節點在本超幀的時隙期所佔用的時隙順序及長度，通過信標幀發送給各傳感器節點； (4)進入時隙期後，各傳感器節點通過緩存判斷方法，決定接收信標或者繼續睡眠；若接收信標，則通過信標幀中所分配的時隙，在時隙期時，將本地採集的信息發送到協調器中。
3.根據權利要求2所述的無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，其特徵在於所述協調器在信標期動態分配時隙個數的方法步驟為 (1)協調器節點根據各傳感器節點的採樣率，計算各傳感器節點的緩存值，和緩存中最早採樣數據的時延，根據傳輸速率計算各節點在本超幀要求傳送的時隙數； (2)若協調器節點檢測到某傳感器節點有異常數據或報警信號，則將該節點標為高優先級，分配給該節點的時隙數為步驟(I)中計算所得該節點需要的時隙數； (3)判斷各普通優先級傳感器節點睡眠到下個超幀傳輸是否滿足時延和緩存的條件；若不滿足，則將此類節點標記為高優先級，分配給該類節點的時隙數為上述計算所得該節點需要的時隙數； (4)若超幀中時隙有剰餘，則判斷各普通優先級傳感器節點中緩存數是否達到ー個時隙能夠發送的最大字節數；若達到，則標為次高優先級，分配給次高優先級的時隙數為該節點能夠滿載的時隙數，即步驟(I)中計算所得的時隙數減一。
4.根據權利要求2所述的無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，其特徵在於所述協調器在信標期動態分配時隙順序的方法為次高優先級傳感器按照要求的時隙數從大到小排列在前，高優先級傳感器按照採樣率從大到小排列在之後。
5.根據權利要求2所述的無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，其特徵在幹各傳感器通過緩存判斷是否接收信標的方法為，傳感器節點判斷本地當前緩存數是否達到ー個時隙能夠發送的最大字節數，若達到，則打開無線通信模塊，接收信標；若未達至IJ，則繼續睡眠模式。
6.根據權利要求I所述的無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，其特徵在於所述超幀第三個階段WBAN預留報警時期預留報警的判斷方式為，當傳感器節點處於睡眠模式，監測到異常數據信號，若當前超幀已分配時隙，則將報警信息通過數據幀發送到協調器節點；若當前超幀未分配該節點時隙，則通過預留報警時期，通過報警幀發送到協 調器節點中。
全文摘要
本發明公開了一種無線體域網中基於超幀的低能耗媒體接入控制方法，主要解決當前協議的競爭機制在無線體域網中耗能和無法適應數據異構性的問題。其實現步驟是，將超幀分為三個階段WBAN內網數據時期，個人終端同公網通信時期，WBAN預留報警時期。協調器節點在內網數據時期通過異常數據的監測、對個傳感器節點緩存和時延的計算，給各節點設置三種優先級高優先級，次高優先級，普通優先級。並根據三種優先級分配不同的時隙長度和順序。在保證緩存和時延滿足條件的情況下，充分的利用時延，更加適應於無線體域網中數據異構性的特點。由於數據的同步性，各傳感器節點可不通過數據交互，僅通過本地緩存和發射速率判斷是否進入睡眠模式減少了通信損耗。
文檔編號H04W52/02GK102958062SQ201210400868
公開日2013年3月6日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者陳彩蓮, 李浩然, 關新平, 楊博 申請人:上海交通大學無錫研究院