易 鋼

(湖南中醫(yī)藥大學(xué)，湖南 長沙 410208)

面向醫(yī)護(hù)監(jiān)測的無線體域網(wǎng)MAC層協(xié)議策略研究

易 鋼

(湖南中醫(yī)藥大學(xué)，湖南 長沙 410208)

針對醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求和監(jiān)護(hù)設(shè)備節(jié)點(diǎn)存在多樣性的特點(diǎn)，在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，討論一種無線體域網(wǎng)混合MAC層協(xié)議策略。通過使用長超幀結(jié)構(gòu)消除多余信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)以提高時隙的利用率；通過短中斷機(jī)制發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時性；在競爭訪問階段使用短中斷機(jī)制，提高能量利用率，延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，混合MAC協(xié)議提高了醫(yī)護(hù)監(jiān)測應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)效率。

醫(yī)護(hù)監(jiān)測；MAC；無線體域網(wǎng)；時槽保障機(jī)制

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和衛(wèi)生事業(yè)的提高，健康的生活正受到全社會的高度關(guān)注，在國家提倡“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，我國的醫(yī)療事業(yè)邁入新的發(fā)展時期。首先，表現(xiàn)在人口正快速老齡化，空巢老人越來越多，醫(yī)護(hù)人員缺口越來越大；其次，我國農(nóng)村人口眾多，醫(yī)療水平和醫(yī)療設(shè)施地區(qū)差異極其不平衡；另外，慢性病越來越高發(fā)，如心腦血管病以及肥胖病等。針對以上問題的有效辦法就是，擴(kuò)大居家醫(yī)療和社區(qū)醫(yī)療，但必須研發(fā)低成本、可穿戴并可無縫接入先進(jìn)醫(yī)療系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備[1-2]，對涉及人體的關(guān)鍵體征數(shù)據(jù)(如血壓及血糖)進(jìn)行不受時間和地點(diǎn)限制的監(jiān)測、及時的預(yù)警和分析[3]。收集和處理這些體征數(shù)據(jù)的傳感器設(shè)備必須組成通信網(wǎng)絡(luò)，這就是WBAN(無線體域網(wǎng))，通過WBAN和其他數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)無縫接入當(dāng)?shù)叵冗M(jìn)醫(yī)療資源系統(tǒng)。對于WBAN的研究，MAC層涉及無線體域網(wǎng)的能量消耗、擴(kuò)展性、魯棒性以及醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私和數(shù)據(jù)安全問題，此次主要討論無線體域網(wǎng)混合MAC層協(xié)議策略問題[4]。

無線體域網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個分支，相比傳統(tǒng)的WSN，規(guī)模小、節(jié)點(diǎn)少、距離短以及受人體電磁影響大。通訊鏈路、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著人體運(yùn)動的改變，可能節(jié)點(diǎn)的通訊會受到嚴(yán)重影響，因此需要更加可靠的MAC層協(xié)議。醫(yī)護(hù)監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)包括心電、血壓及血糖等數(shù)據(jù)，不同數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)率、時延和優(yōu)先級的要求差異很大[5]，因此需要自適應(yīng)好的MAC協(xié)議。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

醫(yī)護(hù)監(jiān)控的無線體域網(wǎng)研究應(yīng)用主要包括物理層研究、MAC技術(shù)以及路由技術(shù)等。對于MAC層技術(shù)，主要是節(jié)點(diǎn)周期性數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)據(jù)的處理機(jī)制問題?，F(xiàn)階段無線體域網(wǎng)有以節(jié)能為目標(biāo)研究的醫(yī)護(hù)個域網(wǎng)新MAC協(xié)議，主要思路是減少碰撞以及空閑等待時間來延長網(wǎng)絡(luò)的生存時間；有基于IEEE802.11e分組調(diào)度機(jī)制改進(jìn)的MAC協(xié)議，思路是通過修改不同任務(wù)的優(yōu)先級，使原協(xié)議適應(yīng)醫(yī)護(hù)監(jiān)控體域網(wǎng)的需求；有基于周期性調(diào)度MAC協(xié)議，通過時分復(fù)用技術(shù)，分配無線體域網(wǎng)中各醫(yī)護(hù)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的時隙，保證節(jié)點(diǎn)之間無沖突地使用無線信道，對于突發(fā)數(shù)據(jù)、非周期長數(shù)據(jù)和連續(xù)數(shù)據(jù)的問題采用優(yōu)化機(jī)制解決；有針對無線體域網(wǎng)緊急事件的MAC協(xié)議，但這些協(xié)議考慮了緊急事件而沒有考慮其他隨機(jī)事件?；谝陨蠀f(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種新的無線體域網(wǎng)混合MAC層協(xié)議。

2 無線體域網(wǎng)混合MAC層協(xié)議

無線體域網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用到醫(yī)療監(jiān)測中時，將會有兩大類數(shù)據(jù)產(chǎn)生，第1類是醫(yī)療監(jiān)測的各個傳感器節(jié)點(diǎn)周期性產(chǎn)生的周期數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)周期性地傳輸給協(xié)調(diào)器，不同傳感器的傳播速率和時延都不一致，如壓力傳感器、溫度傳感器和血氧傳感器等，不同人體的身體素質(zhì)也會有不同傳輸速率和時延的要求。第2類是醫(yī)療監(jiān)測產(chǎn)生的緊急生理數(shù)據(jù)、用戶命令和控制數(shù)據(jù)等。與第1類數(shù)據(jù)不同，這類數(shù)據(jù)只有在事情發(fā)生時才會產(chǎn)生，如病人突然中風(fēng)，則某些傳感器節(jié)點(diǎn)需緊急使用信道發(fā)送數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)為隨機(jī)數(shù)據(jù)。

無線體域網(wǎng)根據(jù)周期性數(shù)據(jù)和隨機(jī)數(shù)據(jù)的不同需求，目前已經(jīng)提出了多種混合協(xié)議，這些協(xié)議基本上是結(jié)合CSMA/CA協(xié)議和TDMA協(xié)議。TDMA協(xié)議通過避免沖突的方式減少能量的消耗；CSMA/CA協(xié)議可以傳輸突發(fā)數(shù)據(jù)和緊急數(shù)據(jù)，比如時隙請求、釋放、增加退出節(jié)點(diǎn)等。而在IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，一般使用超幀機(jī)制，超幀結(jié)構(gòu)包括競爭訪問階段和休眠階段，競爭訪問階段被劃分為16個等長時槽[6]。此次在混合CSMA/CA和TDMA的協(xié)議中，使用長超幀的工作模式，每個長超幀都有一個信標(biāo)幀和一個通訊階段，廣播新的信標(biāo)幀之后可以開始新的長超幀，并在下一長超幀中發(fā)送隨機(jī)數(shù)據(jù)，這樣的機(jī)制也可消除多余信標(biāo)的使用，從而降低能耗。在無線信道訪問階段，長超幀絕大部分時隙分配給產(chǎn)生大量周期性數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)，對于非周期性隨機(jī)數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)，通過在長超幀中插入短中斷時隙進(jìn)行傳輸，以保證時效性和可靠性。協(xié)調(diào)器還可以利用中斷時隙來打斷長超幀的運(yùn)行，并開始下一個新的長超幀，只有在有多余的隨機(jī)數(shù)據(jù)時，競爭訪問階段才被激活，并用于傳輸數(shù)據(jù)。

3 混合MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

本文提出的混合MAC協(xié)議所針對的醫(yī)護(hù)監(jiān)控應(yīng)用，一般適應(yīng)于星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它包括一個協(xié)調(diào)器和N個異構(gòu)節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)使用電池供電，電池電量有限，而協(xié)調(diào)器可更換電池，視同為能量無限，每個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都在一個無線碰撞域，相互之間都在一個感知范圍內(nèi)?；旌螹AC協(xié)議使用長超幀結(jié)構(gòu)，時間被劃分為超幀，每個長超幀有一個信標(biāo)幀和一個通訊階段。每個節(jié)點(diǎn)獲得人體的一個生命體征，如體溫、血壓及心電等[4]。

3.2 混合MAC協(xié)議策略分析

在無線體域網(wǎng)中一般有3種監(jiān)測模式，第1種是固定頻率的監(jiān)測，如心電圖的監(jiān)測，這種數(shù)據(jù)會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，消耗較大帶寬資源；第2種依然是固定頻率監(jiān)測，但只對預(yù)設(shè)超范圍數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)告，如體溫?cái)?shù)據(jù)和血壓類數(shù)據(jù)；第3種是只監(jiān)測一次并報(bào)告數(shù)據(jù)。第1種是周期性數(shù)據(jù)，后2種是突發(fā)產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)，對于不同類型的數(shù)據(jù)，對實(shí)時性和可靠性的要求是不一樣的，體溫的實(shí)時性要求比較低，而網(wǎng)絡(luò)控制、用戶命令的數(shù)據(jù)實(shí)時性要求較高。

對于上面3種類型的數(shù)據(jù)，基于IEEE802.15.4協(xié)議，設(shè)計(jì)了一種比較合適的混合MAC協(xié)議，既可以保證實(shí)時性和可靠性，又能提高能量與信道資源的利用率，該協(xié)議策略如下。

3.2.1 時隙分配設(shè)計(jì)

在這種無線體域網(wǎng)中，使用信標(biāo)中斷的機(jī)制來調(diào)度，一般周期數(shù)據(jù)遠(yuǎn)大于隨機(jī)數(shù)據(jù)，因此盡可能地分配時隙給周期性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，以提高時隙利用率。附加的競爭訪問階段被激活來傳輸產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較大的隨機(jī)數(shù)據(jù)也可采用GTS時槽保障機(jī)制傳輸，但這些時隙必須根據(jù)數(shù)據(jù)大小來分配。如圖1所示，長超幀開始于一個信標(biāo)幀，包括時間戳、超幀間隔以及時隙分配等信息，大部分長超幀分配成GTS，這些時隙分配給周期性監(jiān)測產(chǎn)生大流量數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)或大尺寸隨機(jī)流量發(fā)送節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)幀后面可選GTS幀，它分配給大流量數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)或大尺寸隨機(jī)流量節(jié)點(diǎn)，是否存在取決于前面運(yùn)行的長超幀，如某節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了大流量數(shù)據(jù)，就會發(fā)出GTS請求，接下來的GTS時隙就會分配給這節(jié)點(diǎn)攜帶大流量數(shù)據(jù)。非周期隨機(jī)數(shù)據(jù)的傳輸是在競爭訪問階段被激活，在GTS時隙中插入中斷時隙來實(shí)現(xiàn)的，中斷時隙打斷運(yùn)行的長超幀，提供給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令或傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)會，中斷時隙的機(jī)制與計(jì)算機(jī)中的中斷類似。

圖1 超幀的幀結(jié)構(gòu)

在超幀的尾部有一個可選的競爭訪問階段(CAP)，CAP是否存在取決于前面隨機(jī)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，如果多于一個隨機(jī)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將競爭使用一個中斷時隙，因此中斷時隙設(shè)計(jì)成兩部分：數(shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀。中斷時隙數(shù)據(jù)段如圖2所示，中斷時隙確認(rèn)段如圖3所示。

圖2 中斷數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

圖3 中斷確認(rèn)幀結(jié)構(gòu)

3.2.2 實(shí)時性設(shè)計(jì)

對于周期性數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，本文分配GTS時隙傳輸，以保證實(shí)時性。對于隨機(jī)數(shù)據(jù)，要求實(shí)時性較高的，采用中斷機(jī)制，插入GTS時隙內(nèi)部，當(dāng)有大尺寸隨機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送時，協(xié)調(diào)器啟動中斷，打斷當(dāng)前長超幀傳輸，開始新的長超幀，在新的長超幀里傳輸大尺寸隨機(jī)數(shù)據(jù)，這種機(jī)制既能保證周期性數(shù)據(jù)的實(shí)時性，又能保證隨機(jī)數(shù)據(jù)的實(shí)時性。

3.2.3 能量管理設(shè)計(jì)

對于低延時的隨機(jī)數(shù)據(jù)，將不采用信標(biāo)的方式傳輸，這樣節(jié)省能量消耗，減少通信資源的浪費(fèi)。通過采用長超幀與中斷時隙，而非使用短超幀機(jī)制，減少信標(biāo)幀的發(fā)送，達(dá)到節(jié)能的目的，同時又能保證實(shí)時性的要求。

3.2.4 可靠性設(shè)計(jì)

隨機(jī)數(shù)據(jù)和可靠性要求較高的數(shù)據(jù)，如監(jiān)護(hù)對象突然跌倒，體位傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的緊急非周期數(shù)據(jù)，為了確保這類數(shù)據(jù)的可靠性，本協(xié)議采用確認(rèn)與重傳機(jī)制來保證數(shù)據(jù)可靠性與實(shí)時性，1個中斷時隙包括2個字段，1個字段用于隨機(jī)數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)；另1字段用于對傳輸進(jìn)行確認(rèn)。

3.3 混合MAC協(xié)議仿真實(shí)驗(yàn)

本文構(gòu)造了1個星型無線體域網(wǎng)，包括1個協(xié)調(diào)器和18個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，根據(jù)常用CC2420芯片和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定模擬器參數(shù)[8-9]，對比IEEE802.15.4協(xié)議和混合MAC協(xié)議，在保證數(shù)據(jù)實(shí)時性和可靠性的前提下，測試能量效率、數(shù)據(jù)延遲和時隙利用率3個方面的變化。

通過時隙設(shè)計(jì)分析知道能量效率、數(shù)據(jù)延遲和時隙利用率與802.15.4的信標(biāo)周期和混合MAC協(xié)議的中斷時隙間隔相關(guān)，為了檢測信標(biāo)周期和中斷時隙對能量效率、數(shù)據(jù)延遲、時隙利用率的影響，實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)事件發(fā)生間隔為20 min，且所有節(jié)點(diǎn)具有相同的平均隨機(jī)數(shù)據(jù)產(chǎn)生間隔，比較4種MAC協(xié)議機(jī)制，第1種是802.15.4，其余3種屬于混合MAC機(jī)制，使用相同的中斷時隙間隔和不同的信標(biāo)幀間隔。假設(shè)Bt是信標(biāo)幀間隔，Di是中斷時隙間隔，則每個超幀中包含中斷時隙的數(shù)量就是X=Bt/Di?？梢娀旌螹AC協(xié)議的不同在于n的不同，實(shí)驗(yàn)中仿真3種X值，分別為4、16和64。

802.15.4和3種混合MAC的能耗如表1所示，分析得出所有機(jī)制都會隨間隔增大而能耗減小，混合MAC機(jī)制的平均能耗都小于802.15.4機(jī)制。

表1 信標(biāo)幀間隔和中斷時隙間隔對節(jié)點(diǎn)平均能耗的影響

間隔/s802．15．4機(jī)制能耗/mW混合MAC機(jī)制能耗/mWX=4X=16X=640．11．4380．9960．6250．5860．40．7820．4430．3650．3250．80．2960．2540．1680．15510．1780．1930．1220．10150．0830．1100．0840．081100．0190．0870．0540．048

表2中給出4種機(jī)制時隙利用效率，這個性能指標(biāo)衡量了傳輸隨機(jī)數(shù)據(jù)使用多少時隙資源，對于802.15.4機(jī)制，信標(biāo)幀和CAP是影響此指標(biāo)的關(guān)鍵因素；對于混合MAC機(jī)制，信標(biāo)幀和中斷時隙是影響此指標(biāo)的關(guān)鍵因素。隨著時間間隔的增大，所有機(jī)制的時隙利用率都會減小。對于802.15.4，為了傳輸隨機(jī)數(shù)據(jù)，至少分配一個CAP，共有16個時隙，因此時隙利用率趨近1/16[6]；對于混合MAC機(jī)制，使用了短中斷時隙，利用率明顯高于802.15.4機(jī)制[7]。

表2 信標(biāo)幀間隔和中斷時隙間隔對節(jié)點(diǎn)時隙利用率的影響

802.15.4和3種混合MAC的平均時延如表3所示，分析表1和表2，較長的信標(biāo)幀間隔和中斷時隙間隔提高了時隙利用效率，但也增加了數(shù)據(jù)傳輸時延。表3顯示數(shù)據(jù)的時延隨標(biāo)幀間隔和中斷時隙間隔的變化而變化，信標(biāo)幀間隔和中斷時隙的增加導(dǎo)致平均時延也會增加，為了滿足數(shù)據(jù)實(shí)時性要求，信標(biāo)幀間隔和中斷時隙需設(shè)置成合適的值，一般平均時延要求小于T，則信標(biāo)幀間隔和混合MAC機(jī)制的中斷時隙間隔設(shè)置成小于2T。實(shí)驗(yàn)通過比較調(diào)整隨機(jī)事件的發(fā)生率，當(dāng)隨機(jī)數(shù)據(jù)產(chǎn)生率不高時，混合MAC機(jī)制能降低能耗和保證時隙使用率，又能滿足數(shù)據(jù)時延的要求；當(dāng)隨機(jī)數(shù)據(jù)率高時，混合MAC隨著競爭的增加，中斷時隙頻繁發(fā)生，碰撞幾率增大，混合MAC能量效率和時隙利用率會大幅度降低[10]。

表3 信標(biāo)幀間隔和中斷時隙間隔對節(jié)點(diǎn)平均時延的影

間隔/s802．15．4機(jī)制下平均時延/s混合MAC機(jī)制下平均時延/sX=4X=16X=640．10．0140．0130．0100．0090．40．2320．2110．2010．1920．80．4430．4210．4100．39510．5450．5320．5220．50551．8551．7561．6551．545104．5454．3254．1153．985

通過以上策略改進(jìn)了以往的混合MAC協(xié)議，這種機(jī)制比較適應(yīng)持續(xù)醫(yī)療監(jiān)護(hù)的無線體域網(wǎng)的需求[11]。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的混合MAC協(xié)議是在保證實(shí)時性和可靠性的前提下降低能耗，提高時隙的利用率，保證節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延?；旌螹AC協(xié)議采用長超幀結(jié)構(gòu)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞑r延。在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上，修改了競爭訪問階段機(jī)制，用短中斷時隙代替，提高了能量的利用率。對于隨機(jī)數(shù)據(jù)，混合MAC協(xié)議采用短中斷時隙機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。實(shí)驗(yàn)表明，在每個中斷周期內(nèi)隨機(jī)數(shù)據(jù)產(chǎn)生次數(shù)小于1的情況下，本混合MAC協(xié)議在能量利用率、通訊時延和通訊效率等方面有明顯改善，提高了無線體域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能[12]。

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Research on MAC Layer Protocol of Wireless Body Area Network for Medical Monitoring

YI Gang

(Hunan University of Chinese Medicine，Changsha Hu′nan 410208，China)

Considering the service requirement and monitoring equipment node diversity characteristics in the field of medical care，a hybrid MAC layer protocol for wireless body area network is discussed based on the IEEE802.15.4 protocol.A superframe structure with longer length is used to eliminate the redundant beacon frame structure to improve the utilization of time slot；random data is sent through short interrupt mechanism to ensure the real-time data；short interrupt mechanism is used in the contention access stage to improve energy utilization and extend network survival time.The result of simulation shows that the hybrid MAC protocol improves the network efficiency significantly in healthcare monitoring applications.

health care monitoring；MAC；wireless body area network (WBAN)；GTS (time slot security mechanism)

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.05

易 鋼.面向醫(yī)護(hù)監(jiān)測的無線體域網(wǎng)MAC層協(xié)議策略研究[J].無線電通信技術(shù)，2017，43(3):23-26，48.

[YIGang.ResearchonMACLayerProtocolofWirelessBodyAreaNetworkforMedicalMonitoring[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：23-26,48.]

2016-12-06

湖南省科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013FJ3022)

易 鋼(1976—)，男，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)。

TP393

A

1003-3114(2017)03-23-4