王國(guó)棟　郭坤祺

摘要 由于受人體姿勢(shì)與動(dòng)作影響，無(wú)線體域網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)與Hub節(jié)點(diǎn)通信會(huì)出現(xiàn)陰影效應(yīng)，導(dǎo)致收發(fā)端數(shù)據(jù)傳輸失敗率高，數(shù)據(jù)幀重傳成功率低，同時(shí)多次數(shù)據(jù)重傳造成額外能量消耗。為了提高數(shù)據(jù)重傳成功率，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗，提出基于IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的跨層重傳策略，通過(guò)分析失敗數(shù)據(jù)幀在物理層的信號(hào)特征，探究傳送失敗的原因，并設(shè)計(jì)MAC層重傳方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)相比，基于IEEE802.15.6的無(wú)線體域網(wǎng)跨層重傳策略幀重傳成功率更高，功率消耗更低，不僅可以提高數(shù)據(jù)幀重傳成功率，改善網(wǎng)絡(luò)失幀率，而且能夠延長(zhǎng)無(wú)線體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。

關(guān)鍵詞 無(wú)線體域網(wǎng)；陰影效應(yīng)；IEEE802.15.6；跨層重傳策略；MAC

DOIDOI：10.11907/rjdk.181081

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2018）009020003

英文標(biāo)題An CrossLayer Retransmission Strategy for the Body Shadowing Affect in IEEE 802.15.6Based WBAN

--副標(biāo)題

英文作者WANG Guodong， GUO Kunqi

英文作者單位（School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

英文摘要Abstract：Due to the influence of human body posture and movement，the shadowing effect occurs between the sensor nodes and the Hub node in the wireless body area network，resulting in high failure rate of data transmission between the sender and the receiver and low successful probability of frame retransmission；meanwhile，multiple data retransmissions cause extra energy consumption.In order to solve the problems， a crosslayer retransmission strategy based on the IEEE802.15.6 standard is proposed.According to the signal characteristics of failed data frames at the physical layer，the reasons for the transmission failure are analyzed and the allocation of retransmission is designed at MAC.The experimental results show that the crosslayer retransmission strategy has higher success rate of frame retransmission and lower power consumption than the IEEE802.15.6 standard.Therefore，the crosslayer retransmission strategy based on IEEE802.15.6 can not only improve the success rate of data frame retransmission，and loss rate of the network，but also prolong the working time of nodes in the wireless body area network.

英文關(guān)鍵詞Key Words：wireless body area network；shadowing affect；IEEE 802.15.6；crosslayer retransmission strategy；MAC

0引言

無(wú)線體域網(wǎng)（wireless body area network，WBAN）是一種以人體為中心的小型網(wǎng)絡(luò)[1]，利用分布在人體體表或植入體內(nèi)的無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)并提取人體生理信息（如體溫、血壓、心率、血氧濃度等），通過(guò)無(wú)線信道將收集的生理參數(shù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)Hub節(jié)點(diǎn)[2]。Hub節(jié)點(diǎn)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與終端服務(wù)器通信[3]，幫助醫(yī)院與家屬對(duì)被監(jiān)護(hù)者進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

對(duì)于無(wú)線體域網(wǎng)節(jié)能策略的研究主要集中在物理層、MAC層與網(wǎng)絡(luò)層。Verbiest等[5]設(shè)計(jì)的微型化、低成本印制單極天線在體表通信中有較好的節(jié)能表現(xiàn)，但天線的工作頻率、發(fā)射效率及帶寬易受人體干擾。CA-MAC協(xié)議[6]是一種情景感知協(xié)議，使用超幀混合結(jié)構(gòu)，通過(guò)信道感知進(jìn)行訪問(wèn)策略分配，通過(guò)流量感知進(jìn)行時(shí)隙分配。時(shí)隙分配使后面節(jié)點(diǎn)需要等待前面節(jié)點(diǎn)的傳輸完成，易產(chǎn)生緩存溢出現(xiàn)象。

在WBAN中，節(jié)點(diǎn)發(fā)送端與接收端之間信號(hào)傳輸會(huì)受到人體姿勢(shì)或行動(dòng)影響產(chǎn)生人體陰影效應(yīng)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間通信失敗[7]。陰影效應(yīng)是指信號(hào)在無(wú)線通信傳輸過(guò)程中受到建筑物或其它物體對(duì)電波傳輸路徑的阻擋，在傳播接收區(qū)域形成半盲區(qū)，引起電磁陰影[8]。人體陰影會(huì)造成顯著信號(hào)衰減，使接收端無(wú)法正確識(shí)別幀信號(hào)，影響重傳成功率，造成額外能量消耗[9]。

IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)是2012年IEEE組織針對(duì)體域網(wǎng)制定的無(wú)線接入標(biāo)準(zhǔn)[10]。為降低人體陰影對(duì)WBAN信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，本文提出一種基于IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的針對(duì)人體陰影情況下的跨層重傳策略（crosslayer retransmission strategy，CLRS）。在WNAN通信中，當(dāng)發(fā)生數(shù)據(jù)幀接收失敗情況，接收端根據(jù)數(shù)據(jù)幀在物理層（PHY）的信號(hào)特征，分析接收失敗的原因，并依據(jù)分析結(jié)果在MAC層對(duì)失敗幀進(jìn)行重傳分配。在CLRS中，數(shù)據(jù)幀若是因競(jìng)爭(zhēng)失敗導(dǎo)致通信失敗，則在競(jìng)爭(zhēng)階段重新競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)；若因人體陰影導(dǎo)致傳輸失敗，則該數(shù)據(jù)幀重傳過(guò)程暫停，等信道穩(wěn)定后，Hub重新分配重傳資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法策略可以改善網(wǎng)絡(luò)失幀率，降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀平均傳輸時(shí)間，并能減少能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)使用壽命。

1IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)

IEEE 802委員會(huì)針對(duì)無(wú)線體域網(wǎng)短距離、低復(fù)雜度、低功率和高可靠的要求，于2012年發(fā)布了專門用于無(wú)線體域網(wǎng)的IEEE802.15.6通信標(biāo)準(zhǔn)，其主要內(nèi)容規(guī)定了無(wú)線體域網(wǎng)的物理層和MAC層基本結(jié)構(gòu)[11]，網(wǎng)絡(luò)加密認(rèn)證和安全方面的實(shí)現(xiàn)方式；同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為1跳星型拓?fù)浜?跳擴(kuò)展星型拓?fù)鋄12]。

IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中將物理信道劃分為長(zhǎng)度相等的超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

超幀結(jié)構(gòu)由信標(biāo)幀（B、B2）、專門接入階段（EAP1、EAP2）、隨機(jī)接入階段（RAP1、RAP2）、管理接入階段（MAP）和競(jìng)爭(zhēng)接入階段（CAP）組成。信標(biāo)幀包含時(shí)間同步、系統(tǒng)配置等內(nèi)容信息，由Hub節(jié)點(diǎn)向各傳感器節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送。B2與B擁有相同功能與信息容量，因此本文僅考慮使用B。在超幀中，各類接入階段出現(xiàn)順序固定，但每個(gè)接入階段持續(xù)時(shí)間可變，持續(xù)時(shí)間為零亦可[13]。EAP主要用于高優(yōu)先級(jí)或緊急信息的傳輸，RAP與CAP用于一般信息傳輸[14]。在EAP，RAP與CAP中使用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在MAP中使用時(shí)隙分配機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文使用包含B、EAP、RAP、MAP的超幀結(jié)構(gòu)。

2跨層重傳策略

2.1超幀結(jié)構(gòu)

在無(wú)線體域網(wǎng)中，首先由Hub節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送信標(biāo)控制幀至各傳感器節(jié)點(diǎn)，控制幀中包含系統(tǒng)配置與時(shí)間同步等信息[15]。傳感器節(jié)點(diǎn)接收并保存Hub發(fā)送的控制幀，再根據(jù)控制幀中的配置進(jìn)行本節(jié)點(diǎn)資源分配。超幀根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為4類，如圖2所示，C、D模型相對(duì)于A、B模型來(lái)說(shuō)，在EAP前面插入了MAP；B、D模型相對(duì)于A、D模型來(lái)說(shuō)，在后面增加了MAP1。

在超幀模型中，EAP、RAP階段使用基于競(jìng)爭(zhēng)的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，回退窗口大小與數(shù)據(jù)信息優(yōu)先級(jí)相關(guān)，高優(yōu)先級(jí)擁有更低的回退值[16]。在MAP中使用TDMA機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其特定的時(shí)間間隙中訪問(wèn)信道、傳輸數(shù)據(jù)。如果在MAP階段發(fā)送失敗，那么該幀信息在EAP、RAP部分進(jìn)行重傳。

IEEE 802.15.6中失敗的幀被安排到下一超幀的MAP階段重傳，占用其它節(jié)點(diǎn)傳輸資源，且因較長(zhǎng)的傳輸延遲增加了失幀率[17]，跨層重傳策略的B、D模式可以增強(qiáng)幀傳輸?shù)某晒β什⑶医档蛡鬏敃r(shí)延。B、D模型在RAP后面增加了MAP1，能避免高優(yōu)先級(jí)幀侵占傳輸資源、餓死低優(yōu)先級(jí)幀的現(xiàn)象，低優(yōu)先級(jí)幀在MAP1階段使用TDMA訪問(wèn)信道，可增加傳輸成功率，降低傳輸失敗率。

2.2重傳機(jī)制

人體陰影會(huì)造成數(shù)據(jù)發(fā)送一連串的錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)接收失敗概率上升，需要對(duì)失敗的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重傳，消耗額外能量。IEEE802.15.6 標(biāo)準(zhǔn)使用隨機(jī)回退策略，無(wú)法有效解決人體陰影帶來(lái)的問(wèn)題。

在WBAN通信中，接收端無(wú)法成功接收數(shù)據(jù)信號(hào)有兩種原因造成，一種是沖突，另一種是人體陰影效應(yīng)。人體陰影效應(yīng)與數(shù)據(jù)碰撞都會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的重疊信號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信失敗。不同失敗原因會(huì)有不同信號(hào)強(qiáng)度。陰影效應(yīng)持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)超數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，所導(dǎo)致的不穩(wěn)定波形會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。數(shù)據(jù)碰撞是因?yàn)槎鄠€(gè)節(jié)點(diǎn)有相同的回退數(shù)，在相同時(shí)間同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給接收端。傳輸碰撞造成的信號(hào)重疊現(xiàn)象，發(fā)生于信息幀的通信起止時(shí)間內(nèi)。對(duì)于在傳輸碰撞情況下的接收失敗，因傳感器分布各自不同，到Hub節(jié)點(diǎn)的距離不一，導(dǎo)致產(chǎn)生不同的時(shí)延，在接收端輸出波形上會(huì)出現(xiàn)一小段時(shí)間的平穩(wěn)波形。

根據(jù)在通信失敗情況下數(shù)據(jù)信號(hào)物理層特點(diǎn)，可判斷導(dǎo)致通信失敗的具體原因，并在MAC采取不同的重傳策略。對(duì)于碰撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接收失敗，判斷當(dāng)前時(shí)刻處在超幀中的時(shí)期，并根據(jù)超幀模型分配重傳資源。若在MAP階段傳輸失敗，將在后面的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段重傳數(shù)據(jù)；若在EAP階段或者RAP階段傳輸失敗，將重新競(jìng)爭(zhēng)并重傳數(shù)據(jù)。人體陰影產(chǎn)生概率為10%，持續(xù)時(shí)間約為80ms[18]。對(duì)于人體陰影導(dǎo)致的通信失敗，由Hub節(jié)點(diǎn)告知數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)暫停數(shù)據(jù)重傳，等待陰影效應(yīng)結(jié)束再進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。

3算法仿真

3.1資源分配

在本文的仿真實(shí)驗(yàn)中，超幀持續(xù)時(shí)間是125ms，分配的超幀時(shí)隙數(shù)是5 000。對(duì)于不同的超幀模型，各階段分配資源不同[1920]。

在4類超幀模型中，MAP階段使用基于時(shí)間分配的TDMA機(jī)制通信，根據(jù)請(qǐng)求通信的節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行時(shí)隙數(shù)量分配。剩余資源分配給EAP與RAP，這兩個(gè)階段采用競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，EAP的時(shí)隙分配為：

NslotEAP=nE+2*SIFS+BOavg*TCSMAslot+2*max（TEdata1，TEdata2，...TEdatanE）+∑nEi=1TEdataiTSF_slot（1）

其中，nE為節(jié)點(diǎn)數(shù)量，BOavg為回退數(shù)平均值，TCSMA為回退時(shí)隙時(shí)間，TEdata為數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，TSF為超幀時(shí)間值。在RAP階段，協(xié)調(diào)器須保留滿足RAP最短傳輸時(shí)間的資源，傳感器節(jié)點(diǎn)在RAP階段發(fā)送請(qǐng)求資源到Hub節(jié)點(diǎn)。最短傳輸時(shí)間包括SIFS、競(jìng)爭(zhēng)窗口最大回退時(shí)間、請(qǐng)求幀傳輸時(shí)間、及資源分配幀的傳輸時(shí)間，計(jì)算公式為：

NslotRAP_min=[SIFS+CWmax*TCSMA_slot+Tconnect_request+Tconnect_assignTSF_slot]（2）

CWmax為競(jìng)爭(zhēng)窗口最大回退時(shí)間，Tconnect_request為請(qǐng)求幀傳輸時(shí)間，Tconnect_assign為資源分配幀傳輸時(shí)間。在滿足最小分配的基礎(chǔ)上，將EAP分配后的剩余資源分配給RAP。

不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不同，每個(gè)數(shù)據(jù)幀傳輸速率為125ms，節(jié)點(diǎn)采用的參數(shù)[21]如表1所示。

3.2仿真結(jié)果

本文使用的分析度量標(biāo)準(zhǔn)之一是系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀的平均傳輸時(shí)間。其中平均傳輸時(shí)間由Tavg表示，定義是所有子周期數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)間總和與超幀中傳輸幀數(shù)量和之比，計(jì)算公式如式（3）所示。

TxAVG=TxMAP+TxEAP+TxRAP+TxMAP1NFrame（3）

CLRS與IEEE 802.15.6的各節(jié)點(diǎn)幀平均傳輸時(shí)間仿真結(jié)果如圖3所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)相比于IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)，CLRS的幀平均傳輸時(shí)間更短。CLRS會(huì)區(qū)分通信失敗的原因，當(dāng)信號(hào)碰撞導(dǎo)致失敗，Hub節(jié)點(diǎn)會(huì)分配資源進(jìn)行重傳；當(dāng)遇到人體陰影效應(yīng)導(dǎo)致失敗，CLRS會(huì)暫停重傳程序，等待信道狀態(tài)恢復(fù)。IEEE 802.15.6則持續(xù)重傳，增加了額外的幀傳輸。因此，CLRS可以改善WBAN重傳效率。

在WBAN中，功率消耗是一個(gè)很重要的考量，CLRS的不同節(jié)點(diǎn)功率消耗如圖4所示，此處功率消耗是指每個(gè)節(jié)點(diǎn)成功傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)幀消耗的能量值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，CLRS功率消耗比IEEE 802.15.6更低，因此，CLRS針對(duì)陰影情況下的數(shù)據(jù)通信可以更有效地節(jié)省能量。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)WBAN中因?yàn)槿梭w陰影效應(yīng)與數(shù)據(jù)碰撞產(chǎn)生的通信失敗，提出了跨層重傳策略。在WBAN接收端，對(duì)于通信失敗數(shù)據(jù)幀，利用數(shù)據(jù)幀在物理層信號(hào)特點(diǎn)，分析通信失敗原因，在MAC層采用不同策略重傳失敗的數(shù)據(jù)幀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，針對(duì)出現(xiàn)人體陰影效應(yīng)的WBAN，CLRS相對(duì)于IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)，提高了失敗幀的重傳效率，在數(shù)據(jù)幀平均傳輸時(shí)間與節(jié)點(diǎn)功率消耗上有更好表現(xiàn)。本文為無(wú)線體域網(wǎng)能量?jī)?yōu)化研究提供了一定參考。

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