一種改進的無線體域網MAC協議

趙安華，王英龍，舒明雷，周書旺，高天雷

(1.山東師范大學 信息科學與工程學院，山東 濟南 250014； 2.山東省計算中心，山東 濟南 250014)

一種改進的無線體域網MAC協議

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 信息科學與工程學院，山東 濟南 250014； 2.山東省計算中心，山東 濟南 250014)

近年來，伴隨著傳感器技術和通信技術的不斷革新，無線體域網(WBAN)在醫療健康領域中的作用愈發明顯。WBAN的特點與無線傳感網(WSN)有很大的區別，它每個傳感器都擁有獨特的用途。WBAN在遠程診斷、特殊人群實時監測和社區醫療等領域存在巨大的潛能和應用前景。但是，WBAN的供電方式一般為電池供電，其能量有限，計算存儲、無線通信的能力不高，特別是對于植入節點，不可頻繁更換電池。針對WBAN中業務種類的異構性，通過分析無線個域網IEEE802.15.4標準，設計了一種基于時隙ALOHA的新MAC協議。它能夠在緊急情況下區分和首選各種類型的業務，保證緊急業務的優先傳輸。通過仿真進行了性能分析，結果表明，與現有的MAC協議相比，該協議在能耗、丟包數、吞吐量等方面有顯著提升。

無線體域網；MAC協議；ALOHA；時隙ALOHA

0 引 言

無線體域網(WBAN)是由一個協調器和多個附著在體表或植入體內的傳感器組成的網絡[1]。這些傳感器節點能夠實時地提供健康監護信息,并能將信息及時反饋給用戶或者醫務人員。體域網是一種備受大家關注的智能網絡，其在遠程診斷、特殊人群實時監測和社區醫療等領域存在巨大的潛能和應用前景[2]。但是，其供電方式一般為電池供電，電池能量有限，計算、

存儲、無線通信的能力不高，特別是對于植入節點，不可頻繁更換電池，必須在有限資源下完成數據采集、傳輸和處理等[3-4]。因此，對于WBAN的應用來說，如何高效利用電池能量，延長網絡的使用時間尤其重要。WBAN異于傳統的WSN，不能使用WSN的協議。WBAN協議的要求更高，例如高發包率、高效率和高穩定性等。WBAN當下有很多標準，如IEEE 802.15.4、IEEE 802.15.6、H-MAC、Body-MAC等。但是隨著WBAN的應用越來越廣泛，體域網MAC協議仍然是研究的一個熱點問題。經過研究和分析不同的MAC協議，發現現存的MAC協議不能完全滿足上述體域網的所有需求。WBAN與傳統WSN中的業務類型單一不同，它有多種業務類型，可分為三類：普通業務、按需業務和緊急業務。經過研究，發現當下沒有任何一種協議充分考慮了傳感器節點業務的所有類型。針對這些問題，提出采用時隙ALOHA的機制來設計MAC協議。所提出的協議充分考慮了數據的業務類型，尤其是緊急業務。

1 無線體域網MAC協議相關研究

對WBAN來說，一個好的MAC協議最重要的標準就是它的能效性。其次，MAC協議重要的因素是它的擴展性和能夠自適應網絡延時、吞吐量和帶寬利用變化的能力。另外，QoS(Quality of Service)也是一個非常重要的因素，包括點到點延時和延時變化。對于緊急業務，MAC協議應該允許節點迅速接入信道并發送這些緊急數據給協調器。因此，設計和實現一個好的MAC協議就必須能夠滿足體域網中節點所有數據類型。

近年來，研究者們提出了一些針對WBAN的MAC層協議：心跳驅動接入協議(Hearbeat Driven MAC,H-MAC)、基于預留的動態時分多址接入MAC協議(Reservation-based Dynamic DTDMA)、基于報頭的時分多址MAC協議(Preamble_Based TDMA,PB-TDMA)等[5-6]。

文獻[7]中提出的H-MAC協議是一種基于TDMA的協議，其最初提出的是一個采用星型拓撲結構的MAC協議。H-MAC協議通過利用心跳信號信息使節點間保持同步，使同步能耗降低，進而降低網絡的能耗。心跳的信號信息可以從感官數據中提取，因此所有的節律代表的峰值序列自然是同步的。H-MAC協議向每一個節點分配一個專用時隙來保證數據傳輸免于沖突。它節省了同步需要消耗的額外能量，不支持緊急業務的發送。H-MAC協議在低流量、低帶寬效率下，由于TDMA時隙是專用的時隙，不能自適應地應對傳輸業務。心跳信息主要依靠病人的身體狀況來判斷。所以，該協議就不可能隨時顯示有效的同步信息。文獻[8]提出的PB-TDMA協議是一個基于報頭的TDMA協議，該協議只對正常業務有效，而沒有充分考慮緊急業務或按需業務的數據傳輸。文獻[9]中提出的Body-MAC協議是一個基于TDMA的協議。它的超幀結構由上下兩個子幀組成。在該協議中，上行子幀用來傳輸節點的正常流量，而下行子幀用來傳輸按需流量。該協議也缺少合理的機制去處理緊急流量的情況。文獻[10]中提出的DTDMA協議主要是針對正常業務給節點分配時隙，它也不支持緊急和按需業務。雖然DTDMA是一種很好的方法，但是當考慮到MICS頻帶時，也存在一定的局限性。

通過分析現存的MAC協議發現，上述MAC協議可以降低網絡能耗，但是多數都沒有充分考慮到傳感器節點的所有業務類型，所以設計一個高效的，可應對各種業務的，低能耗的MAC協議極其重要。

2 基于時隙ALOHA的MAC協議的設計與實現

研究文獻[7-11]發現，基于IEEE 802.15.4標準的WBAN接入協議存在一些局限性：

(1)就能耗而言它是不可以擴展的；

(2)現存的MAC協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間；

(4)很多協議都沒有充分考慮到它的所有業務類型：正常業務、按需業務和緊急業務。

因此，這些協議都不能作為一個標準的方法去滿足所有的WBAN的應用。通過分析上述不足，文中利用ALOHA概念和時隙ALOHA機制去處理所有類型的數據。

純ALOHA：假如多個節點共同占用一個信道，這些節點的總呼叫是以λ為均值的泊松流[12]。當其中有節點需要傳輸數據時，馬上以定長數據包的方法傳送到信道上。若有多個數據包在傳輸中出現碰撞，之后純隨機重新發送。純ALOHA的協議非常簡單,特別適合突發業務。一個新的信息包在傳輸途中不能受到任何干擾。這樣能確保數據不會由于持續發送而發生沖突。純ALOHA是一個單跳系統，它的吞吐量代表一段時間內發送的有用信息。

時隙ALOHA：降低沖突的一種可行方式是在信道上分槽。其數據包的傳輸被限制在一個時隙內。網內所有節點必須與協調器同步，有通信要求的節點只能在時鐘規定的等長時隙內傳輸。協調器的同步信息要向所有用戶廣播。在這種協議中，只要一個信息包長的時間內不存在多個信息包同時要傳輸的情況，就可以成功傳輸一個數據包；因為，在發送一個信息包期內，有新包來臨時必須等下一時隙開始才會傳輸[12]。

超寬帶頻帶(Ultra-WideBand，UWB)：是一種短距離的無線通信技術，傳輸范圍在10m之內，采取1GHz以上的帶寬，通信速率可達數百兆以上。作為超寬帶數據傳輸技術的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，超寬帶系統在共存能力，安全性，抗多徑，簡單集成在芯片上的能力表現更突出。

IEEE802.15.4標準中星型拓撲采取的超幀，如圖1所示。該超幀將時間劃分成等間隔周期，由協調點發送信標幀界定，一般由活動期(Active)和非活動期(Inactive)組成。

圖1 IEEE 802.15.4采用的超幀結構

文中協議采用動態超幀結構，如圖2所示。

圖2 動態超幀結構

該協議的業務傳輸流程如下：

(1)初始化一個超幀結構，該超幀結構可容納每一種類型的流量。

(2)協調器使各節點間的時間保持同步。

(3)根據業務類型分配時隙，正常的數據使用ALOHA協議來分配，緊急數據和按需數據使用時隙ALOHA協議分配信道。

(4)數據節點傳輸數據給中心協調器。

(5)節點和協調器之間發送各自的確認信息給對方，確保數據正常傳輸。

(6)假如有緊急數據或者按需數據發生，優先讓其傳輸，并根據流量大小自動調整幀的長度。

3 無線體域網MAC協議仿真研究與分析

提出的MAC協議在超寬帶物理層下更容易實現，不能使用CSMA來實現。

假如超幀中活動期是一定的，等于Sm個時隙。網絡中有N個節點去競爭時隙。一個節點只能發送一個請求。讓n個節點嘗試競爭同一個時隙。n個節點在同一個時隙產生碰撞的概率為P；在同一時隙中節點數的平均值為E。

(1)

(2)

設Cn代表n個節點所占據的時隙數量，平均碰撞的信息數為Q。

(3)

通過式(2)和式(3)可以計算成功發送請求消息的數目和發送請求消息的總數之比。

(4)

基于IEEE802.15.4標準，使用OMNeT++軟件[13-14]進行仿真。為了讓仿真更貼近真實情況，在發送正常業務的同時也發送一些緊急業務。仿真完成后，將文中提出的MAC協議與現存的MAC協議進行對比。設置仿真節點個數分別為5、10、15、20。節點在5個、10個、15個和20個節點下的最大吞吐量、丟包數、能量消耗和能量負載如圖3～6所示。

圖3 節點的最大吞吐量

由圖3可知，文中提出的MAC協議最大吞吐量要強于現存的MAC協議，吞吐量的增加主要是由于節點的丟包數下降，因此在緊急業務發生時該協議會節省能源消耗。

圖4 節點的丟包個數

由圖4可知，提出的MAC協議的丟包數量顯著小于現有協議，新協議丟包數的減少，使數據重傳的次數相應減少，消耗的能量更少。

由圖5可知，新的MAC協議隨節點數量的增多，

圖5 節點的能量消耗

其能量的消耗逐漸小于現有的MAC協議。仿真結果表明，該協議在特定的情況下能夠節省網絡能源消耗。

圖6 節點的流量負載

由圖6可知，該協議與現存的MAC協議相比可以更好地處理最大的流量負載。

4 結束語

WBAN在醫療健康領域應用中，由于其一般用電池來供電，節點的能量受到極大限制。為了提高網絡能效，根據WBAN中每個傳感器節點采集和處理的數據類型不同，充分考慮其所有類型的數據，即正常、按需和緊急。針對WBAN中節點業務類型不同的特性，基于ALOHA和時隙ALOHA機制，采用動態超幀結構設計了一種可以適應不同業務類型的WBANMAC協議。對提出的協議和現有協議進行仿真對比，結果表明該協議在最大吞吐量、能耗、丟包數和最大負載方面要優于現有的MAC協議，提出的協議可行，能夠有效地提高網絡的能效，延長網絡壽命。

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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

時間：2017-01-10

山東省科技發展計劃項目(2014GSF118107)

趙安華(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為體域網；王英龍，博士，研究員，研究方向為網絡與信息安全、知識發現與數據挖掘等。

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