面向醫護監測的無線體域網MAC層協議策略研究

易 鋼

(湖南中醫藥大學，湖南 長沙 410208)

面向醫護監測的無線體域網MAC層協議策略研究

易 鋼

(湖南中醫藥大學，湖南 長沙 410208)

針對醫療護理領域的業務需求和監護設備節點存在多樣性的特點，在IEEE802.15.4協議基礎上，討論一種無線體域網混合MAC層協議策略。通過使用長超幀結構消除多余信標幀結構以提高時隙的利用率；通過短中斷機制發送隨機數據保證了數據的實時性；在競爭訪問階段使用短中斷機制，提高能量利用率，延長網絡的生存時間。仿真實驗結果證明，混合MAC協議提高了醫護監測應用中的網絡效率。

醫護監測；MAC；無線體域網；時槽保障機制

0 引言

隨著我國經濟的快速發展和衛生事業的提高，健康的生活正受到全社會的高度關注，在國家提倡“互聯網+”的背景下，我國的醫療事業邁入新的發展時期。首先，表現在人口正快速老齡化，空巢老人越來越多，醫護人員缺口越來越大；其次，我國農村人口眾多，醫療水平和醫療設施地區差異極其不平衡；另外，慢性病越來越高發，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，擴大居家醫療和社區醫療，但必須研發低成本、可穿戴并可無縫接入先進醫療系統的相關設備[1-2]，對涉及人體的關鍵體征數據(如血壓及血糖)進行不受時間和地點限制的監測、及時的預警和分析[3]。收集和處理這些體征數據的傳感器設備必須組成通信網絡，這就是WBAN(無線體域網)，通過WBAN和其他數據通信網絡無縫接入當地先進醫療資源系統。對于WBAN的研究，MAC層涉及無線體域網的能量消耗、擴展性、魯棒性以及醫療數據的隱私和數據安全問題，此次主要討論無線體域網混合MAC層協議策略問題[4]。

無線體域網是無線傳感器網絡的一個分支，相比傳統的WSN，規模小、節點少、距離短以及受人體電磁影響大。通訊鏈路、拓撲結構隨著人體運動的改變，可能節點的通訊會受到嚴重影響，因此需要更加可靠的MAC層協議。醫護監測的相關數據包括心電、血壓及血糖等數據，不同數據對數據率、時延和優先級的要求差異很大[5]，因此需要自適應好的MAC協議。

1 國內外研究現狀

醫護監控的無線體域網研究應用主要包括物理層研究、MAC技術以及路由技術等。對于MAC層技術，主要是節點周期性數據和隨機數據的處理機制問題。現階段無線體域網有以節能為目標研究的醫護個域網新MAC協議，主要思路是減少碰撞以及空閑等待時間來延長網絡的生存時間；有基于IEEE802.11e分組調度機制改進的MAC協議，思路是通過修改不同任務的優先級，使原協議適應醫護監控體域網的需求；有基于周期性調度MAC協議，通過時分復用技術，分配無線體域網中各醫護監控節點的時隙，保證節點之間無沖突地使用無線信道，對于突發數據、非周期長數據和連續數據的問題采用優化機制解決；有針對無線體域網緊急事件的MAC協議，但這些協議考慮了緊急事件而沒有考慮其他隨機事件。基于以上協議的優缺點，本文提出一種新的無線體域網混合MAC層協議。

2 無線體域網混合MAC層協議

無線體域網在實際應用到醫療監測中時，將會有兩大類數據產生，第1類是醫療監測的各個傳感器節點周期性產生的周期數據。這些數據周期性地傳輸給協調器，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也會有不同傳輸速率和時延的要求。第2類是醫療監測產生的緊急生理數據、用戶命令和控制數據等。與第1類數據不同，這類數據只有在事情發生時才會產生，如病人突然中風，則某些傳感器節點需緊急使用信道發送數據，這類數據為隨機數據。

無線體域網根據周期性數據和隨機數據的不同需求，目前已經提出了多種混合協議，這些協議基本上是結合CSMA/CA協議和TDMA協議。TDMA協議通過避免沖突的方式減少能量的消耗；CSMA/CA協議可以傳輸突發數據和緊急數據，比如時隙請求、釋放、增加退出節點等。而在IEEE802.15.4協議標準中，一般使用超幀機制，超幀結構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的協議中，使用長超幀的工作模式，每個長超幀都有一個信標幀和一個通訊階段，廣播新的信標幀之后可以開始新的長超幀，并在下一長超幀中發送隨機數據，這樣的機制也可消除多余信標的使用，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生大量周期性數據的節點，對于非周期性隨機數據與網絡控制數據，通過在長超幀中插入短中斷時隙進行傳輸，以保證時效性和可靠性。協調器還可以利用中斷時隙來打斷長超幀的運行，并開始下一個新的長超幀，只有在有多余的隨機數據時，競爭訪問階段才被激活，并用于傳輸數據。

3 混合MAC協議實現

3.1 網絡模型構建

本文提出的混合MAC協議所針對的醫護監控應用，一般適應于星型網絡拓撲結構，它包括一個協調器和N個異構節點。監測節點使用電池供電，電池電量有限，而協調器可更換電池，視同為能量無限，每個監測節點都在一個無線碰撞域，相互之間都在一個感知范圍內。混合MAC協議使用長超幀結構，時間被劃分為超幀，每個長超幀有一個信標幀和一個通訊階段。每個節點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協議策略分析

在無線體域網中一般有3種監測模式，第1種是固定頻率的監測，如心電圖的監測，這種數據會產生大量數據，消耗較大帶寬資源；第2種依然是固定頻率監測，但只對預設超范圍數據進行報告，如體溫數據和血壓類數據；第3種是只監測一次并報告數據。第1種是周期性數據，后2種是突發產生的隨機數據，對于不同類型的數據，對實時性和可靠性的要求是不一樣的，體溫的實時性要求比較低，而網絡控制、用戶命令的數據實時性要求較高。

對于上面3種類型的數據，基于IEEE802.15.4協議，設計了一種比較合適的混合MAC協議，既可以保證實時性和可靠性，又能提高能量與信道資源的利用率，該協議策略如下。

3.2.1 時隙分配設計

在這種無線體域網中，使用信標中斷的機制來調度，一般周期數據遠大于隨機數據，因此盡可能地分配時隙給周期性數據節點，以提高時隙利用率。附加的競爭訪問階段被激活來傳輸產生的隨機數據，數據較大的隨機數據也可采用GTS時槽保障機制傳輸，但這些時隙必須根據數據大小來分配。如圖1所示，長超幀開始于一個信標幀，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測產生大流量數據的節點或大尺寸隨機流量發送節點。信標幀后面可選GTS幀，它分配給大流量數據的節點或大尺寸隨機流量節點，是否存在取決于前面運行的長超幀，如某節點產生了大流量數據，就會發出GTS請求，接下來的GTS時隙就會分配給這節點攜帶大流量數據。非周期隨機數據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現的，中斷時隙打斷運行的長超幀，提供給協調器發送命令或傳輸數據的機會，中斷時隙的機制與計算機中的中斷類似。

圖1 超幀的幀結構

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數據的產生，如果多于一個隨機數據，這些數據將競爭使用一個中斷時隙，因此中斷時隙設計成兩部分：數據幀和確認幀。中斷時隙數據段如圖2所示，中斷時隙確認段如圖3所示。

圖2 中斷數據幀結構

圖3 中斷確認幀結構

3.2.2 實時性設計

對于周期性數據節點，本文分配GTS時隙傳輸，以保證實時性。對于隨機數據，要求實時性較高的，采用中斷機制，插入GTS時隙內部，當有大尺寸隨機數據發送時，協調器啟動中斷，打斷當前長超幀傳輸，開始新的長超幀，在新的長超幀里傳輸大尺寸隨機數據，這種機制既能保證周期性數據的實時性，又能保證隨機數據的實時性。

3.2.3 能量管理設計

對于低延時的隨機數據，將不采用信標的方式傳輸，這樣節省能量消耗，減少通信資源的浪費。通過采用長超幀與中斷時隙，而非使用短超幀機制，減少信標幀的發送，達到節能的目的，同時又能保證實時性的要求。

3.2.4 可靠性設計

隨機數據和可靠性要求較高的數據，如監護對象突然跌倒，體位傳感器節點發出的緊急非周期數據，為了確保這類數據的可靠性，本協議采用確認與重傳機制來保證數據可靠性與實時性，1個中斷時隙包括2個字段，1個字段用于隨機數據和控制數據；另1字段用于對傳輸進行確認。

3.3 混合MAC協議仿真實驗

本文構造了1個星型無線體域網，包括1個協調器和18個監測節點，根據常用CC2420芯片和IEEE802.15.4標準設定模擬器參數[8-9]，對比IEEE802.15.4協議和混合MAC協議，在保證數據實時性和可靠性的前提下，測試能量效率、數據延遲和時隙利用率3個方面的變化。

通過時隙設計分析知道能量效率、數據延遲和時隙利用率與802.15.4的信標周期和混合MAC協議的中斷時隙間隔相關，為了檢測信標周期和中斷時隙對能量效率、數據延遲、時隙利用率的影響，實驗中隨機事件發生間隔為20 min，且所有節點具有相同的平均隨機數據產生間隔，比較4種MAC協議機制，第1種是802.15.4，其余3種屬于混合MAC機制，使用相同的中斷時隙間隔和不同的信標幀間隔。假設Bt是信標幀間隔，Di是中斷時隙間隔，則每個超幀中包含中斷時隙的數量就是X=Bt/Di?？梢娀旌螹AC協議的不同在于n的不同，實驗中仿真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，分析得出所有機制都會隨間隔增大而能耗減小，混合MAC機制的平均能耗都小于802.15.4機制。

表1 信標幀間隔和中斷時隙間隔對節點平均能耗的影響

間隔/s802．15．4機制能耗/mW混合MAC機制能耗/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種機制時隙利用效率，這個性能指標衡量了傳輸隨機數據使用多少時隙資源，對于802.15.4機制，信標幀和CAP是影響此指標的關鍵因素；對于混合MAC機制，信標幀和中斷時隙是影響此指標的關鍵因素。隨著時間間隔的增大，所有機制的時隙利用率都會減小。對于802.15.4，為了傳輸隨機數據，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機制，使用了短中斷時隙，利用率明顯高于802.15.4機制[7]。

表2 信標幀間隔和中斷時隙間隔對節點時隙利用率的影響

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，但也增加了數據傳輸時延。表3顯示數據的時延隨標幀間隔和中斷時隙間隔的變化而變化，信標幀間隔和中斷時隙的增加導致平均時延也會增加，為了滿足數據實時性要求，信標幀間隔和中斷時隙需設置成合適的值，一般平均時延要求小于T，則信標幀間隔和混合MAC機制的中斷時隙間隔設置成小于2T。實驗通過比較調整隨機事件的發生率，當隨機數據產生率不高時，混合MAC機制能降低能耗和保證時隙使用率，又能滿足數據時延的要求；當隨機數據率高時，混合MAC隨著競爭的增加，中斷時隙頻繁發生，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 信標幀間隔和中斷時隙間隔對節點平均時延的影

間隔/s802．15．4機制下平均時延/s混合MAC機制下平均時延/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

通過以上策略改進了以往的混合MAC協議，這種機制比較適應持續醫療監護的無線體域網的需求[11]。

4 結束語

設計的混合MAC協議是在保證實時性和可靠性的前提下降低能耗，提高時隙的利用率，保證節點數據傳輸的時延?；旌螹AC協議采用長超幀結構，保證了數據傳輸的傳播時延。在IEEE802.15.4基礎上，修改了競爭訪問階段機制，用短中斷時隙代替，提高了能量的利用率。對于隨機數據，混合MAC協議采用短中斷時隙機制，保證了數據傳輸的實時性。實驗表明，在每個中斷周期內隨機數據產生次數小于1的情況下，本混合MAC協議在能量利用率、通訊時延和通訊效率等方面有明顯改善，提高了無線體域網的網絡性能[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.面向醫護監測的無線體域網MAC層協議策略研究[J].無線電通信技術，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劃項目(2013FJ3022)

易 鋼(1976—)，男，副教授，主要研究方向：計算機網絡、物聯網。

TP393

A

1003-3114(2017)03-23-4