一種多等級無線體域網服務質量方法

馬玉軍 ，陳 敏 ，王軍鋒 ，3

（1.華中科技大學計算機科學與技術學院 武漢 430074；2.南陽理工學院計算機網絡中心 南陽 473004；3.鄭州大學信息工程學院 鄭州 450001）

1 引言

近年來，無線體域網 （wireless body area network，WBAN）逐漸成為研究熱點，吸引了許多學術界和工業界的研究人員，在醫療護理、體育、娛樂、軍工企業、社會公共等領域應用需求很大。目前，在WBAN中廣泛使用的無線標準是IEEE 802.15.4，它支持非常低的功耗，特別適合低速率近距離的無線傳輸。

在WBAN中，終端節點（end device）是人身上佩戴的傳感器，如心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、重力加速計等，如圖1所示。通常情況下，人體傳感器不會和外界接入點直接通信，因此引入PS（personal server，個人服務器）作為聯接人體傳感器和外界接入點的橋梁。除了路由人體感知數據分組之外還可以有其他功能，例如，用于人體感知信息融合、降低數據冗余度，或作為網絡協調器。

與傳統的無線傳感器網絡 （wireless sensor network，WSN）中QoS特性不同，WBAN中對業務實時性、可靠性等服務質量（quality of service，QoS）要求更高，而且對于不同的WBAN應用場景，QoS要求也需量身定做。比如在醫院的真實應用中，在帶寬有限的情況下，不同傳感數據的QoS及傳輸優先級將不同，根據醫院實際情況考慮以下3種情況。

圖1 無線體域網樹型結構

·病人之間的優先級，即不同病人之間提供的服務優先級不同（例如急診危重病人的數據比慢性病人的數據優先傳輸，因此需要設置更高的優先級）。

·傳感器節點之間的優先級，即同一病人的不同種類傳感數據的服務優先級不同（例如心電數據通常要優先于體溫數據）。

·傳感器節點內部的優先級，即同一節點同一類傳感數據，在不同時間的優先級可能動態變化（例如血糖數據通常指定較低的優先級，然而當血糖過高或過低時，需要指定高優先級）。

IEEE 802.15.4中MAC層有兩種模式，信標模式和非信標模式，目前已經有了一些基于這兩種模式的QoS研究，例如Bilel Nefzi等人設計的CoSenS系統實現了簡單的可擴展服務區分方法，在保證盡力傳輸流量的同時能夠自動適應流量變化；Cao H等人則基于信標使能模式下超幀結構提出了一種單層級的QoS方案。但是這些研究沒有從多個等級對WBAN業務數據之間的優先級做出更為細致的區分。本文基于IEEE 802.15.4信標使能模式和樹型拓撲結構，提出一種基于等級的QoS框架，分別對競爭訪問期（contention access period，CAP）和非競爭訪問期（contention free period，CFP）提出了適應不同優先級數據的QoS算法。通過網絡仿真驗證了所提出框架的可行性和實用性。

2 IEEE 802.15.4 MAC協議與樹型拓撲

IEEE 802.15.4提供兩種操作模式:信標模式和非信標模式。在非信標模式中，使用非時隙的CSMA/CA機制進行通信，這種機制比信標模式中采用的基于時隙的CSMA/CA機制簡單，所有節點均以競爭方式接入信道。信標模式更適合實時數據和周期性數據傳送，也適合在WBAN中實現QoS。本文主要研究信標模式下的網絡通信。

在信標模式中，有一個非常重要的概念:超幀（superframe），它是一個周期性的時間結構，分為活躍期（active）和可選的非活躍期（inactive），每個協調器都有自己的超幀，超幀結構如圖2所示。協調器周期性發送信標幀，節點通過信標幀進行同步操作。兩個相鄰信標幀的時間間隔稱為信標間隔（beacon interval，BI）。節點在活躍期打開接收機接收數據或者準備接收數據，在非活躍期休眠以節約能量。超幀活躍期的持續時間用參數SD（superframe duration）表示，它被劃分為16個相等的時隙（a Num Superframe Slots）。整個活躍期又被分為競爭訪問期（contention access period，CAP）和非競爭訪問期（contention free period，CFP），節點在CAP采用基于時隙的CSMA/CA機制訪問信道，而在CFP內則采用TDMA（time division multiple access）進行通信，使用保障時隙（guaranteed time slot，GTS）描述時隙資源，在CFP中包括一個或多個GTS，被分配給某個設備的GTS包括一個或多個時隙用于和協調器通信。

信標間隔和超幀持續時間分別由信標階（beacon order，BO）和超幀階（superframe order，SO）決定，計算方法如式（1）和式（2）所示。SO 和 BO 必須滿足:0≤SO≤BO≤14。

圖2 超幀結構

基于時隙的CSMA/CA機制有3個重要的參數:NB（number of back off）、CW（content windows）和 BE（back off exponent）。其中NB表示退避次數，初始值為0，最大值為4。當節點完成隨機延遲，并監測到信道繁忙，則NB加1；若NB超過最大值，則發送失敗。CW為競爭窗，表示發送數據前需要確認信道空閑的次數，默認值為2。當確認信道空閑成功一次，則CW值減1，當CW為0并且網絡信道空閑時開始傳輸數據。BE表示退避指數，表示檢測信道是否空閑之前需要隨機退避時間，BE的取值范圍是0～5，默認值為3。

IEEE 802.15.4協議對NB、BE和CW值的設定不是強制性的，可以根據實際情況進行調整，具有較高的靈活性。后面將對這些參數進行適當的調整以滿足QoS需求。

IEEE 802.15.4信標模式中CFP使用保障時隙（guaranteed time slot，GTS）為接入設備提供信道訪問。設備訪問信道前必須申請GTS，GTS請求命令幀格式如圖3所示。

圖3 GTS申請命令幀格式

節點（終端設備或路由器）使用GTS進行數據傳輸時，必須向其父節點（路由器或協調器）發送GTS分配請求命令幀，當命令幀中characteristics type域的值為1時，表示申請GTS，GTS length域表示所申請時隙個數。父節點接收到GTS請求命令幀后發送確認幀。父節點在分配GTS時必須同時滿足如下3個條件。

·父節點當前超幀的CFP中剩余時隙個數大于或等于節點請求的GTS長度。

·父節點中已分配的GTS數小于7（每個超幀最多分配 7個 GTS）。

·分配GTS后父節點的CAP長度大于或等于aMinCAP Length的值（IEEE 802.15.4規定的CAP最小長度，其值為440個符號）。

在帶寬資源允許的情況下，父節點使用先來先服務原則為節點分配GTS，并將GTS分配情況存入信標幀的GTS域。請求GTS的節點在約定的信標周期內對收到的信標幀的GTS域進行分析，判斷是否被分配了GTS，如果父節點為自己分配了GTS，則可在指定的GTS時隙范圍內發送數據，否則GTS分配請求失敗。

3 基于等級的QoS框架

本部分提出一種采用樹型拓撲結構并基于IEEE802.15.4信標模式的無線體域網服務質量框架。框架整合IEEE 802.15.4信標使能通信模式、采用樹型拓撲結構以及樹路由?？蚣軐⒎諈^分為3個等級，第1個等級為病人級別的服務區分，根據病人的疾病緊急程度或者交費情況確定其優先級，保證優先級高的病人的通信，將其稱為病人間的優先級。第2個等級為病人內部傳感器間的優先級。通常，WBAN中人體一般攜帶多個傳感器節點 （例如EEG、ECG），根據實際情況，這些傳感器節點通常具有不同的優先級，例如，心臟病病人的ECG傳感器的優先級應該比其他傳感器高，當心臟病發作時，ECG數據必須優先于其他傳感器節點被發送出去。第3個等級為傳感器節點內部數據的優先級，傳感器節點內部要發送的數據幀，根據其緊急程度進行優先級區分，保證重要的突發緊急數據優先發送，例如心臟病病人在心臟病發作時，必須立即將這個數據信息發送到醫療中心。利用IEEE 802.15.4信標模式中的競爭訪問期和非競爭訪問期來實現這3個等級的優先級。

3.1 基于不同用戶的QoS實現

每個病人身上都帶有一個PS，它負責接收病人攜帶的傳感器數據并將數據轉發出去。PS具備樹路由功能。

在醫療應用中，有些病人的某個傳感器數據需要優先傳輸，因此需要對數據區分優先級。比如在緊急醫療場合，危重病人的數據需要采用更高的優先級傳輸?？紤]使用GTS characteristic字段中的reserved中的兩位來指定數據的優先級，它可以指定00～03共4個優先級。

醫護人員根據病人具體情況設置節點或路由器的優先級，節點申請GTS時，將優先級設置到reserved字段中。當其父節點（路由器或協調器）接收到其GTS請求之后，根據reserved請求的優先級將其插入GTS隊列中。

父節點GTS隊列中優先級越低的排在隊列越前面。分配GTS從隊列的最后開始往前分配，如圖4所示。

圖4 保障時隙隊列示意

插入隊列之后，父節點按照GTS隊列優先級從高到底重新分配GTS，可能導致低優先級的GTS失去時隙，則失去分配時隙的GTS成為“waiting GTS”狀態，等待高優先級GTS釋放時隙資源。當高優先級的GTS節點釋放GTS時，則父節點重新進行GTS分配，后面的“waiting GTS”可能重新獲得時隙資源。

樹型結構下，當路由器下的節點優先級改變之后，將路由器的優先級也相應改變，路由器的優先級是各子節點優先級的加權平均，計算方法如式（3）所示。

其中Pr表示路由器的優先級，Si和Pi分別表示第i個子節點的時隙數和優先級。

GTS申請流程如下:

（1）終端節點向路由器發送GTS請求；

（2）路由器向終端節點回復ACK幀；

（3）路由器為終端節點分配時隙，更新自己的優先級；

（4）如果路由器優先級發生變化，則向協調器發送新的GTS請求；

（5）如果路由器已經分配了GTS，則協調器更新其GTS信息，否則，協調器根據路由器優先級為其分配GTS時隙；

（6）路由器向終端節點發送帶有新的分配信息的信標幀；

（7）協調器向路由器發送帶有新的分配信息的信標幀。

步驟（3）父節點分配GTS的算法如下。

算法1 分配保障時隙（GTS）

通過優先級在隊里中查找正確的位置，

將新的GTS請求信息插入隊列并排序

當終端節點接收到信標幀時，如發現自己的GTS起始時隙為-1，則停止發送數據，直到信標幀重新分配到GTS（其起始時隙不是-1），再傳輸數據。

路由器優先級變化之后，向協調器發送新的GTS請求，協調器根據路由器的優先級更新其GTS隊列，然后通過信標幀通知路由器，處理過程和路由器類似。

3.2 基于不同數據的QoS實現

人身體上可能帶有多個傳感器節點（如EEG、ECG）。傳感器節點間的QoS實現有兩種方法。

·利用基于時隙的CSMA/CA機制中CAP的BE。

·利用CFP的GTS，這部分功能已經整合到基于不同用戶的QoS實現中。

下面具體介紹第1種方法。

退避指數表示節點在探測信道忙閑狀態時需要隨機退避等待的時間，它的值要根據電池壽命擴展參數mac BattLife ExtPeriod設置，如果這個屬性值為true，則BE=min(2,macMinBE)，即2和 macMinBE之間的最小值，如果這個屬性值為false，則BE=macMinBE。因為在體域網中節點電池的更換相對比較容易，假設macBattLifeExtPeriod屬性值為false，macMinBE的值即為BE的值。用T表示隨機退避等待的時間，用R表示0～(2BE-1)之間的隨機整數。T可以用式（4）表示。

可見BE值的選取直接影響隨機退避時間T，BE的范圍為0～macMaxBE，而macMaxBE的值為0～5。較小的BE值意味著設備有較大的可能優先使用信道發送數據。由此可見，如果節點的退避指數不同，則節點在使用CSMA/CA機制訪問信道時，占用信道的概率也不相同。通過調節每個終端設備的BE值實現服務區分，BE越小，終端設備的優先級越高，從而保證在競爭訪問期內的服務質量。

3.3 基于傳感器節點內部數據的QoS實現

在每一個傳感器節點的內部，存在多種需要發送的數據類型，例如，周期性發送的非緊急數據，突發事件的緊急數據，要求確認的數據和不要求確認的數據以及MAC層的命令幀等。為了保證發生突發事件時緊急數據能夠立即成功發送，需要對這些數據進行服務區分，提供QoS保證。

節點內部在CAP內發送的數據的分類、優先級設置見表1。

表1 節點內部優先級

當節點內部生成數據流量后，內部處理程序根據其數據類型設置優先級，然后將數據加入CAP發送隊列中，如果隊列為空，則數據直接加入隊列即可，如果隊列不為空，則需要根據數據分組的優先級將數據分組插入隊列中，優先級高的數據分組排在優先級低的數據前面，以保證優先被發送出去。具體算法如下。

算法2 設置競爭訪問期CAP優先級

4 性能評估

通過計算機仿真對提出的QoS框架和實現算法進行性能評估。使用OPNET Modeler仿真工具和開放源代碼的IEEE 802.15.4/ZigBee OPNET仿真模型，實現了提出的基于等級的QoS框架和算法，修改了仿真模型中的樹路由算法以滿足QoS的要求，加入了支持QoS的GTS調度算法。

4.1 基于退避指數的QoS仿真

假設病人身上攜帶3個傳感器節點，這3個傳感器節點都需要和PS通信。傳感器節點node1、node2和node3的BE值分兩種情況:第1種情況，3個傳感器節點的BE值都為3；第2種情況，3個傳感器節點的BE值分別為1、2和3。3個傳感器節點在CAP內的流量開始時間相同，流量速率設置為 100 bit/0.03 s，仿真時間為 50 s。BE兩種取值的CAP隊列時延仿真結果如圖5和圖6所示。當節點的BE值相等時，3個節點要發送的數據在隊列中的時延集中為0.005～0.010 s。設置不同BE值后，node 1節點的隊列時延為0.003～0.004 s，node2節點的隊列時延為 0.006～0.008 s，node3節點的隊列時延為0.008～0.012 s。仿真結果表明3個節點將數據發送出去的時延隨著BE值的增大依次增加，實現了按照優先級發送數據的效果。

圖5 節點退避指數都為3

圖6 節點退避指數依次為1、2、3

4.2 基于GTS的QoS仿真

在一個路由器下設置6個子節點，BO設置為6，SO設置為2，每個子節點分組間隔為1 s，分組大小為500 bit，仿真時間設置為60 s。

首先看修改之前，如果4個節點申請的GTS優先級相同，node1～node6都申請4個時隙，仿真結果如圖7所示。

圖7 未設優先級的網絡輸出負載

可以看到，根據先來先服務的原則，node1至node3都申請到4個時隙，因為最小CAP的限制，CFP最大可分時隙數為13個，node4申請到1個時隙，當node5和node6開始申請時，已經沒有時隙可用，因此一直沒有申請成功。

改進GTS分配算法之后，仿真的GTS參數設置見表2。仿真結果如圖8所示。

表2 節點仿真參數

圖8 設置優先級后的網絡輸出負載

圖9是node4開始發送數據之后，父節點GTS隊列隨著node5、node6的開始和結束發送數據 （第16 s～第50 s）的變化。當node4申請GTS時隙時，優先分得4個時隙，node2和node3仍然各占有4個時隙，因為node2的優先級最低，所以其時隙只剩下 1個。GTS隊列如圖 9（a）所示。

圖9 保障時隙隊列變化

當 node5在第 20 s申請到 4個時隙之后，node2的GTS被剝奪，進入等待狀態，從圖8可以看到node2的網絡輸出負載在第20 s時開始走平，node1只剩一個時隙。GTS隊列如圖 9（b）所示。

當 node6在第 24 s申請到 4個時隙之后，node1的GTS也被剝奪，進入等待狀態，GTS隊列如圖9（c）所示，圖8中的node1的網絡輸出負載開始走平。

在第40 s時，node5到達結束時間，釋放了GTS，node1重新獲得了 1個時隙的 GTS，GTS隊列如圖 9（d）所示。圖9中node5的網絡輸出負載開始走平，而node1則又開始傳輸數據，網絡輸出負載開始向上走。

在第50 s時，node6到達結束時間，釋放了GTS，node1增加了3個時隙，成為4個時隙，node2重新獲得了1個時隙的 GTS，GTS隊列狀態恢復到圖9（a）。圖8中node6的網絡輸出負載開始走平，而node2則又開始傳輸數據，網絡輸出負載向上走。

以上結果說明實現了CFP中不同GTS優先級數據的彈性傳送。

路由器的優先級是所有GTS時隙優先級的加權平均，當GTS隊列發生變化時，路由器的優先級也發生了變化，路由器的優先級如圖10所示。如果路由器優先級發生變化，則向協調器發送GTS分配請求。

圖10 路由器優先級變化

可以看到第4 s和第8 s時因為node1、node2優先級都是1，因此沒有改變，當第12 s時node3開始申請GTS，路由器平均優先級變為1.3，隨著node4～node6開始申請GTS，平均優先級接近 3，node5，node6 在第 40 s、第 50 s退出GTS之后，平均優先級最后稍低于2。根據式（4）計算，總的時隙數是 13，則路由器優先級為(4×3+4×2+4×2+1×1)/13≈1.9。這說明了節點的優先級變化導致路由器的優先級發生了變化。

4.3 節點內部QoS仿真

由于節點內部QoS的設置和數據傳送僅與傳感器自身和PS相關，為了簡化設置過程和對仿真結果的分析，僅設置1個傳感器節點與PS進行通信。由于MAC命令幀個數在整個通信中所占的比例較小，故僅仿真ACK和NO ACK流量。傳感器節點的ACK和NO ACK流量發送的間隔時間都為0.01 s（按指數分布），數據分組大小都為100 bit，發送時間都為0.2～4.0 s。仿真時間為5 s。

在未設置優先級情況下的數據幀平均端到端時延（end to end delay）仿真結果如圖11所示，設置優先級后的仿真結果如圖12所示。在未設置優先級時ACK流量和NACK流量的端到端平均時延集中在0.007～0.009 s，設置優先級后，ACK流量的平均端到端時延集中在0.004 s，而NACK流量的平均端到端時延集中在0.014～0.018 s。也就是說，通過設置優先級確保了ACK數據優先發送到目的地。

圖11 沒有優先級的端到端時延

圖12 設置優先級后的端到端時延

5 結束語

在無線體域網中提供有效的QoS保障機制，對于WBAN的推廣應用具有重要意義。本文利用IEEE 802.15.4信標模式和基于樹型拓撲的樹路由實現了基于等級的QoS框架，從3個不同等級確保高優先級數據傳送，在保證實現QoS的同時與現有通信協議完全兼容，并通過計算機仿真驗證了提出的QoS框架。

1 Chen M,Gonzalez S,Vasilakos A,etal.Body area networks:a survey.Mobile Networks and Applications，2011,16(2):171～193

2 Cao H,Gonzalez-Valenzuela S,Leung V C M.Employing IEEE 802.15.4 for quality of service provisioning in wireless body area sensor networks.Proceedings of 2010 the 24th IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications(AINA),Perth,Australia,2010

3 Nefzi B,Song Y Q.QoS for wireless sensor networks:enabling service differentiation at the MAC sub-layer using CoSenS.Ad Hoc Networks,2012,10(4):680～695

4 Opnet Tech Inc.Opnet Modeler.http://www.opnet.com/

5 OpenSource toolset for IEEE 802.15.4 and ZigBee.http://www.open-zb.net/