趙安華，王英龍，舒明雷，周書旺，高天雷

(1.山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014； 2.山東省計(jì)算中心，山東 濟(jì)南 250014)

一種改進(jìn)的無線體域網(wǎng)MAC協(xié)議

趙安華1，王英龍1，舒明雷2，周書旺2，高天雷2

(1.山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014； 2.山東省計(jì)算中心，山東 濟(jì)南 250014)

近年來，伴隨著傳感器技術(shù)和通信技術(shù)的不斷革新，無線體域網(wǎng)(WBAN)在醫(yī)療健康領(lǐng)域中的作用愈發(fā)明顯。WBAN的特點(diǎn)與無線傳感網(wǎng)(WSN)有很大的區(qū)別，它每個(gè)傳感器都擁有獨(dú)特的用途。WBAN在遠(yuǎn)程診斷、特殊人群實(shí)時(shí)監(jiān)測和社區(qū)醫(yī)療等領(lǐng)域存在巨大的潛能和應(yīng)用前景。但是，WBAN的供電方式一般為電池供電，其能量有限，計(jì)算存儲(chǔ)、無線通信的能力不高，特別是對于植入節(jié)點(diǎn)，不可頻繁更換電池。針對WBAN中業(yè)務(wù)種類的異構(gòu)性，通過分析無線個(gè)域網(wǎng)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一種基于時(shí)隙ALOHA的新MAC協(xié)議。它能夠在緊急情況下區(qū)分和首選各種類型的業(yè)務(wù)，保證緊急業(yè)務(wù)的優(yōu)先傳輸。通過仿真進(jìn)行了性能分析，結(jié)果表明，與現(xiàn)有的MAC協(xié)議相比，該協(xié)議在能耗、丟包數(shù)、吞吐量等方面有顯著提升。

無線體域網(wǎng)；MAC協(xié)議；ALOHA；時(shí)隙ALOHA

0 引 言

無線體域網(wǎng)(WBAN)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)附著在體表或植入體內(nèi)的傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)[1]。這些傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)地提供健康監(jiān)護(hù)信息,并能將信息及時(shí)反饋給用戶或者醫(yī)務(wù)人員。體域網(wǎng)是一種備受大家關(guān)注的智能網(wǎng)絡(luò)，其在遠(yuǎn)程診斷、特殊人群實(shí)時(shí)監(jiān)測和社區(qū)醫(yī)療等領(lǐng)域存在巨大的潛能和應(yīng)用前景[2]。但是，其供電方式一般為電池供電，電池能量有限，計(jì)算、

存儲(chǔ)、無線通信的能力不高，特別是對于植入節(jié)點(diǎn)，不可頻繁更換電池，必須在有限資源下完成數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理等[3-4]。因此，對于WBAN的應(yīng)用來說，如何高效利用電池能量，延長網(wǎng)絡(luò)的使用時(shí)間尤其重要。WBAN異于傳統(tǒng)的WSN，不能使用WSN的協(xié)議。WBAN協(xié)議的要求更高，例如高發(fā)包率、高效率和高穩(wěn)定性等。WBAN當(dāng)下有很多標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE 802.15.4、IEEE 802.15.6、H-MAC、Body-MAC等。但是隨著WBAN的應(yīng)用越來越廣泛，體域網(wǎng)MAC協(xié)議仍然是研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。經(jīng)過研究和分析不同的MAC協(xié)議，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)存的MAC協(xié)議不能完全滿足上述體域網(wǎng)的所有需求。WBAN與傳統(tǒng)WSN中的業(yè)務(wù)類型單一不同，它有多種業(yè)務(wù)類型，可分為三類：普通業(yè)務(wù)、按需業(yè)務(wù)和緊急業(yè)務(wù)。經(jīng)過研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)下沒有任何一種協(xié)議充分考慮了傳感器節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的所有類型。針對這些問題，提出采用時(shí)隙ALOHA的機(jī)制來設(shè)計(jì)MAC協(xié)議。所提出的協(xié)議充分考慮了數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)類型，尤其是緊急業(yè)務(wù)。

1 無線體域網(wǎng)MAC協(xié)議相關(guān)研究

對WBAN來說，一個(gè)好的MAC協(xié)議最重要的標(biāo)準(zhǔn)就是它的能效性。其次，MAC協(xié)議重要的因素是它的擴(kuò)展性和能夠自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)、吞吐量和帶寬利用變化的能力。另外，QoS(Quality of Service)也是一個(gè)非常重要的因素，包括點(diǎn)到點(diǎn)延時(shí)和延時(shí)變化。對于緊急業(yè)務(wù)，MAC協(xié)議應(yīng)該允許節(jié)點(diǎn)迅速接入信道并發(fā)送這些緊急數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。因此，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)好的MAC協(xié)議就必須能夠滿足體域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)所有數(shù)據(jù)類型。

近年來，研究者們提出了一些針對WBAN的MAC層協(xié)議：心跳驅(qū)動(dòng)接入?yún)f(xié)議(Hearbeat Driven MAC,H-MAC)、基于預(yù)留的動(dòng)態(tài)時(shí)分多址接入MAC協(xié)議(Reservation-based Dynamic DTDMA)、基于報(bào)頭的時(shí)分多址MAC協(xié)議(Preamble_Based TDMA,PB-TDMA)等[5-6]。

文獻(xiàn)[7]中提出的H-MAC協(xié)議是一種基于TDMA的協(xié)議，其最初提出的是一個(gè)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MAC協(xié)議。H-MAC協(xié)議通過利用心跳信號信息使節(jié)點(diǎn)間保持同步，使同步能耗降低，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。心跳的信號信息可以從感官數(shù)據(jù)中提取，因此所有的節(jié)律代表的峰值序列自然是同步的。H-MAC協(xié)議向每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)專用時(shí)隙來保證數(shù)據(jù)傳輸免于沖突。它節(jié)省了同步需要消耗的額外能量，不支持緊急業(yè)務(wù)的發(fā)送。H-MAC協(xié)議在低流量、低帶寬效率下，由于TDMA時(shí)隙是專用的時(shí)隙，不能自適應(yīng)地應(yīng)對傳輸業(yè)務(wù)。心跳信息主要依靠病人的身體狀況來判斷。所以，該協(xié)議就不可能隨時(shí)顯示有效的同步信息。文獻(xiàn)[8]提出的PB-TDMA協(xié)議是一個(gè)基于報(bào)頭的TDMA協(xié)議，該協(xié)議只對正常業(yè)務(wù)有效，而沒有充分考慮緊急業(yè)務(wù)或按需業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[9]中提出的Body-MAC協(xié)議是一個(gè)基于TDMA的協(xié)議。它的超幀結(jié)構(gòu)由上下兩個(gè)子幀組成。在該協(xié)議中，上行子幀用來傳輸節(jié)點(diǎn)的正常流量，而下行子幀用來傳輸按需流量。該協(xié)議也缺少合理的機(jī)制去處理緊急流量的情況。文獻(xiàn)[10]中提出的DTDMA協(xié)議主要是針對正常業(yè)務(wù)給節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，它也不支持緊急和按需業(yè)務(wù)。雖然DTDMA是一種很好的方法，但是當(dāng)考慮到MICS頻帶時(shí)，也存在一定的局限性。

通過分析現(xiàn)存的MAC協(xié)議發(fā)現(xiàn)，上述MAC協(xié)議可以降低網(wǎng)絡(luò)能耗，但是多數(shù)都沒有充分考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)的所有業(yè)務(wù)類型，所以設(shè)計(jì)一個(gè)高效的，可應(yīng)對各種業(yè)務(wù)的，低能耗的MAC協(xié)議極其重要。

2 基于時(shí)隙ALOHA的MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

研究文獻(xiàn)[7-11]發(fā)現(xiàn)，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的WBAN接入?yún)f(xié)議存在一些局限性：

(1)就能耗而言它是不可以擴(kuò)展的；

(2)現(xiàn)存的MAC協(xié)議也不適合在超帶寬下使用；

(3)空閑信道分配需要消耗過多的時(shí)間；

(4)很多協(xié)議都沒有充分考慮到它的所有業(yè)務(wù)類型：正常業(yè)務(wù)、按需業(yè)務(wù)和緊急業(yè)務(wù)。

因此，這些協(xié)議都不能作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法去滿足所有的WBAN的應(yīng)用。通過分析上述不足，文中利用ALOHA概念和時(shí)隙ALOHA機(jī)制去處理所有類型的數(shù)據(jù)。

純ALOHA：假如多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同占用一個(gè)信道，這些節(jié)點(diǎn)的總呼叫是以λ為均值的泊松流[12]。當(dāng)其中有節(jié)點(diǎn)需要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，馬上以定長數(shù)據(jù)包的方法傳送到信道上。若有多個(gè)數(shù)據(jù)包在傳輸中出現(xiàn)碰撞，之后純隨機(jī)重新發(fā)送。純ALOHA的協(xié)議非常簡單,特別適合突發(fā)業(yè)務(wù)。一個(gè)新的信息包在傳輸途中不能受到任何干擾。這樣能確保數(shù)據(jù)不會(huì)由于持續(xù)發(fā)送而發(fā)生沖突。純ALOHA是一個(gè)單跳系統(tǒng)，它的吞吐量代表一段時(shí)間內(nèi)發(fā)送的有用信息。

時(shí)隙ALOHA：降低沖突的一種可行方式是在信道上分槽。其數(shù)據(jù)包的傳輸被限制在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)。網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)必須與協(xié)調(diào)器同步，有通信要求的節(jié)點(diǎn)只能在時(shí)鐘規(guī)定的等長時(shí)隙內(nèi)傳輸。協(xié)調(diào)器的同步信息要向所有用戶廣播。在這種協(xié)議中，只要一個(gè)信息包長的時(shí)間內(nèi)不存在多個(gè)信息包同時(shí)要傳輸?shù)那闆r，就可以成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包；因?yàn)?，在發(fā)送一個(gè)信息包期內(nèi)，有新包來臨時(shí)必須等下一時(shí)隙開始才會(huì)傳輸[12]。

超寬帶頻帶(Ultra-WideBand，UWB)：是一種短距離的無線通信技術(shù)，傳輸范圍在10m之內(nèi)，采取1GHz以上的帶寬，通信速率可達(dá)數(shù)百兆以上。作為超寬帶數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的UWB，其功率低，傳輸速率快，在高速短距離通信以及低速長距離通信方面都取得了很大的突破。與其他窄帶相比，超寬帶系統(tǒng)在共存能力，安全性，抗多徑，簡單集成在芯片上的能力表現(xiàn)更突出。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中星型拓?fù)洳扇〉某瑤?，如圖1所示。該超幀將時(shí)間劃分成等間隔周期，由協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)幀界定，一般由活動(dòng)期(Active)和非活動(dòng)期(Inactive)組成。

圖1 IEEE 802.15.4采用的超幀結(jié)構(gòu)

文中協(xié)議采用動(dòng)態(tài)超幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)超幀結(jié)構(gòu)

該協(xié)議的業(yè)務(wù)傳輸流程如下：

(1)初始化一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)，該超幀結(jié)構(gòu)可容納每一種類型的流量。

(2)協(xié)調(diào)器使各節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間保持同步。

(3)根據(jù)業(yè)務(wù)類型分配時(shí)隙，正常的數(shù)據(jù)使用ALOHA協(xié)議來分配，緊急數(shù)據(jù)和按需數(shù)據(jù)使用時(shí)隙ALOHA協(xié)議分配信道。

(4)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)給中心協(xié)調(diào)器。

(5)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器之間發(fā)送各自的確認(rèn)信息給對方，確保數(shù)據(jù)正常傳輸。

(6)假如有緊急數(shù)據(jù)或者按需數(shù)據(jù)發(fā)生，優(yōu)先讓其傳輸，并根據(jù)流量大小自動(dòng)調(diào)整幀的長度。

3 無線體域網(wǎng)MAC協(xié)議仿真研究與分析

提出的MAC協(xié)議在超寬帶物理層下更容易實(shí)現(xiàn)，不能使用CSMA來實(shí)現(xiàn)。

假如超幀中活動(dòng)期是一定的，等于Sm個(gè)時(shí)隙。網(wǎng)絡(luò)中有N個(gè)節(jié)點(diǎn)去競爭時(shí)隙。一個(gè)節(jié)點(diǎn)只能發(fā)送一個(gè)請求。讓n個(gè)節(jié)點(diǎn)嘗試競爭同一個(gè)時(shí)隙。n個(gè)節(jié)點(diǎn)在同一個(gè)時(shí)隙產(chǎn)生碰撞的概率為P；在同一時(shí)隙中節(jié)點(diǎn)數(shù)的平均值為E。

(1)

(2)

設(shè)Cn代表n個(gè)節(jié)點(diǎn)所占據(jù)的時(shí)隙數(shù)量，平均碰撞的信息數(shù)為Q。

(3)

通過式(2)和式(3)可以計(jì)算成功發(fā)送請求消息的數(shù)目和發(fā)送請求消息的總數(shù)之比。

(4)

基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，使用OMNeT++軟件[13-14]進(jìn)行仿真。為了讓仿真更貼近真實(shí)情況，在發(fā)送正常業(yè)務(wù)的同時(shí)也發(fā)送一些緊急業(yè)務(wù)。仿真完成后，將文中提出的MAC協(xié)議與現(xiàn)存的MAC協(xié)議進(jìn)行對比。設(shè)置仿真節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為5、10、15、20。節(jié)點(diǎn)在5個(gè)、10個(gè)、15個(gè)和20個(gè)節(jié)點(diǎn)下的最大吞吐量、丟包數(shù)、能量消耗和能量負(fù)載如圖3～6所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)的最大吞吐量

由圖3可知，文中提出的MAC協(xié)議最大吞吐量要強(qiáng)于現(xiàn)存的MAC協(xié)議，吞吐量的增加主要是由于節(jié)點(diǎn)的丟包數(shù)下降，因此在緊急業(yè)務(wù)發(fā)生時(shí)該協(xié)議會(huì)節(jié)省能源消耗。

圖4 節(jié)點(diǎn)的丟包個(gè)數(shù)

由圖4可知，提出的MAC協(xié)議的丟包數(shù)量顯著小于現(xiàn)有協(xié)議，新協(xié)議丟包數(shù)的減少，使數(shù)據(jù)重傳的次數(shù)相應(yīng)減少，消耗的能量更少。

由圖5可知，新的MAC協(xié)議隨節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增多，

圖5 節(jié)點(diǎn)的能量消耗

其能量的消耗逐漸小于現(xiàn)有的MAC協(xié)議。仿真結(jié)果表明，該協(xié)議在特定的情況下能夠節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能源消耗。

圖6 節(jié)點(diǎn)的流量負(fù)載

由圖6可知，該協(xié)議與現(xiàn)存的MAC協(xié)議相比可以更好地處理最大的流量負(fù)載。

4 結(jié)束語

WBAN在醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用中，由于其一般用電池來供電，節(jié)點(diǎn)的能量受到極大限制。為了提高網(wǎng)絡(luò)能效，根據(jù)WBAN中每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集和處理的數(shù)據(jù)類型不同，充分考慮其所有類型的數(shù)據(jù)，即正常、按需和緊急。針對WBAN中節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)類型不同的特性，基于ALOHA和時(shí)隙ALOHA機(jī)制，采用動(dòng)態(tài)超幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可以適應(yīng)不同業(yè)務(wù)類型的WBANMAC協(xié)議。對提出的協(xié)議和現(xiàn)有協(xié)議進(jìn)行仿真對比，結(jié)果表明該協(xié)議在最大吞吐量、能耗、丟包數(shù)和最大負(fù)載方面要優(yōu)于現(xiàn)有的MAC協(xié)議，提出的協(xié)議可行，能夠有效地提高網(wǎng)絡(luò)的能效，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

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An Improved MAC Protocol for Wireless Body Area Network

ZHAO An-hua1,WANG Ying-long1,SHU Ming-lei2,ZHOU Shu-wang2,GAO Tian-lei2

(1.School of Information Science and Engineering,Shandong Normal University,Jinan 250014,China; 2.Shandong Computer Science Center,Jinan 250014,China)

In recent years,along with continuous innovation of the sensor technology and communications technology,Wireless Body Area Network (WBAN) plays an important role in healthcare field.The characteristics of WBAN is different from Wireless Sensor Network (WSN),and each sensor of it has a unique purpose.WBAN has great potential and prospects in remote diagnostics,special populations monitoring and community medical care.However,WBAN is battery-powered,energy of which is limited,and computing and storage,wireless communications capabilities are not high,especially for embedded nodes do not frequent replacement of batteries.In view of heterogeneousness of data types for WBAN,by analyzing the IEEE802.15.4 wireless personal area network standard,a new MAC Protocol based on slotted ALOHA is designed.It can distinguish in emergency situations to ensure the priority transmission of emergency operations.The performance is analyzed with simulation,and the results show that compared with existing MAC Protocol,it has significant improvement in the energy consumption,number of packets,throughput and so on.

wireless body area network;MAC Protocol;ALOHA;time slot ALOHA

2016-04-01

2016-09-02

時(shí)間：2017-01-10

山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GSF118107)

趙安華(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)轶w域網(wǎng)；王英龍，博士，研究員，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)與信息安全、知識(shí)發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘等。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1019.050.html

TP31

A

1673-629X(2017)02-0167-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.038