低傳輸模式醫療監測無線體域網MAC 協議

尚 薇，任領美，2，張重慶

（1.山東科技大學計算機學院，山東 青島 266590；2.深圳信息職業技術學院 計算機學院，廣東深圳 518172）

0 引言

老年慢性病人與亞健康人群數量的急劇增長已成為我國醫療衛生事業亟待解決的難題［1］。解決這一難題的第一步是改變傳統醫療監測方式，以最小程度影響使用者的生活，可以在自由活動中接受監測為目標進行醫療監測。

無線通信技術、傳感器技術、電池技術、微機電技術等技術的發展促進了無線體域網的誕生［2］。該網絡綜合了無線通信技術、傳感器技術等，具有微型化、可進行無線通信等突出優點，因此在醫療監護、個人健康護理、士兵或消防員狀態監測、體感娛樂、個人情緒監測等領域具有廣闊的應用前景［3］。無線體域網由一個或多個放置在人體表面或人體內部的小傳感器組成，可實時監測人體各種生理數據，并通過協調器與通信網絡傳送到云端，經數據處理后得出相應結果，供醫務人員參考、分析。

在一個醫療監測無線體域網內，節點通常有兩種工作模式：全傳輸模式［4］和低傳輸模式［5］。全傳輸模式是指一個節點以一定頻率測量某個生理指標或生理狀態，并將全部或相當比例的測量數據傳送到協調器。例如，一個植入心臟的監測節點以每秒1Hz 的采樣頻率采集心臟狀態數據，并將數據發送到協調器。低傳輸模式是指一個節點以一定頻率測量某個生理指標或生理狀態，但只在某些情況下才將測量結果傳送到協調器。例如，上述的心臟狀態監測節點仍以1Hz 的采樣頻率采集心臟狀態數據，但其僅在判斷采集數據出現異常的情況下才將測量結果傳送到協調器。與全傳輸模式相比，低傳輸模式的一大顯著優勢是能夠大幅降低能耗，進而能很大程度上延長節點壽命與服務時間。雖然低傳輸模式具有良好的節能潛力，但能量的節省不是自動實現的，仍需要合適技術的輔助，MAC 協議［6］就是其中之一。在醫療監測過程中，全傳輸模式與低傳輸模式是兩種相輔相成的工作模式。因此，本文專門為低傳輸模式節點與全傳輸模式節點共存的無線體域網設計了一個MAC 協議，既能提高能量利用效率，又具有高可靠性和高實時性，并提供一個快速的喚醒與催眠機制。

1 研究現狀

無線體域網廣闊的應用前景吸引了許多研究者關注，并日漸成為研究熱點。無線體域網可視為無線傳感器網絡（WSN）的一個分支，屬于典型的交叉學科，需要多領域研究者的合作研究。如今世界各國已有越來越多研究人員投入到該領域研究中，開展了許多無線體域網研究項目并開發了相關應用系統，具有代表性的有美國哈佛大學的醫療護理系統CodeBlue、霍普金斯大學的健康與災難救助系統AID-N、微軟的實時生理監測可穿戴系統HealthGear、新加坡信息通信研究所的MobiSense 以及歐盟MobiHealth項目開發的mHealth 等。尤其是IEEE 于2007 年成立了802.15.6 工作組，開始制定無線體域網相關標準，并于2012年正式通過了WBAN 標準“IEEE 802.15.6 Standard for Wireless Body Area Networks”。我國許多大學與研究機構也開展了相關研究，包括清華大學、上海交通大學、香港科技大學、吉林大學、湖南大學、東南大學、臺灣大學等。國家設立863 重點項目“無線體域網關鍵技術研究”，主要針對人體無線體域網技術、UWB 信道傳輸特性等專題進行研究，而且自2011 年起，國家自然科學基金委每年均資助多項WBAN 研究項目。國內具有代表性的無線體域網相關研究有：中科院計算所利用無線體域網開發的中醫脈象信息收集及分析遠程醫療系統、中科院傳感網絡與應用聯合研究中心的無線體域網運動重建項目、香港中文大學的移動無線體域網跟蹤與能量感知MAC 研究等。

無線通信技術［7］是無線體域網關鍵技術的重要組成部分，如何設計適用于無線體域網的通信技術是研究者們面臨最重要的挑戰之一。無線體域網是一種特殊的傳感網（WSN），但又具有自己的特點，在網絡環境與結構、數據模式、QoS 要求、節點移動性等方面與傳統WSN 有很大不同。因此，適用于傳統WSN 的通信技術并不適用于無線體域網，必須針對無線體域網的特點研究新的通信技術，其中便包括MAC 協議［8］。目前已提出了許多支撐無線體域網的MAC 協議，如DQBAN、EELDC-MAC、Med-MAC、Body?MAC、CA-MAC、802.15.4、802.15.6 等。這些協議通常考慮了各種應用所產生流量的特征，并使用載波偵聽與沖突避免（CSMA/CA）［9］及時分復用（TDMA）［10］兩種機制適配各種流量，因此具有一定的適應性。

一般而言，上述協議在設計時是以承載高數據流量為出發點并圍繞此進行優化的。當然，這些協議能夠調整其占空比（duty cycle）以適配低數據流量。但是，這些協議并不是專門為低流量應用設計與優化的，因此這些協議在承載低數據流量時不是最優。首先，這些協議的能量效率仍有提升的空間；其次，這些協議沒有考慮協調器的能量效率［11］，有些甚至會犧牲協調器的能量效率來提升節點能量效率；第三，這些協議缺乏一個快速喚醒機制。該機制對于發生緊急事件時，快速喚醒相關節點進入滿負荷工作狀態是有利的，可以使醫護人員收集盡可能詳細的病人病情信息。該機制還可用于驅動一個執行器節點執行某些動作，如向病人體內注射一定量的胰島素。本文提出的MAC協議可用于緊急事件監測節點與周期性監測節點并存的網絡，通過設計幀結構，該協議能適配周期性的高數據率流量，也能適配低數據率流量。不僅如此，通過在嵌入幀內配置多個數據段，可使協議承載更高的數據流量。

2 超幀結構及操作過程

2.1 超幀與數據幀結構

星形結構的無線體域網一般存在兩種通信模式：信標模式（beacon mode）和無信標模式（non-beacon mode）［12］。在信標模式下，時間被劃分為超幀并由協調器進行控制，協調器定期發送包含同步信息和網絡控制數據的信標幀，節點接收信標幀，并根據信標幀里包含的信息選擇合適的接入方式訪問信道；在無信標模式下，一個節點的接收器不需要定期接收信標幀。雖然無信標模式能夠保障節點能量利用的高效率以及從節點到協調器的低數據傳輸延遲，但其難以實現從協調器到節點的低傳輸時延，也難以實現快速喚醒機制。因此，本文提出的協議沒有使用無信標模式。通過利用信標模式的優點，并設計有限機制克服信標模式的缺點，使本文協議能夠滿足工作在低傳輸模式節點的需求。

圖1（a）給出了MAC 協議的基本超幀結構，這種結構適用于所有節點工作在低傳輸模式的無線體域網。超幀的開始是信標幀，信標幀包含同步與控制信息，如時間戳、信標幀間隔、時隙長度、時隙分配等。信標幀之后是一個可選的廣播階段，該廣播階段是否存在及其長度需要在信標幀中說明。廣播階段被用于從協調器向所有節點發送長廣播信息，該階段存在與否取決于在前一個超幀期間協調器是否產生或收到需要向節點進行廣播的長信息。如果協調器產生了這樣的廣播數據，則可以中斷當前超幀并開始一個新的超幀。在新的超幀中，廣播階段將會被激活，協調器利用此廣播階段對數據進行廣播。廣播階段之后是一個包含保證時隙（Guaranteed Time Slots，GTS）［13］的無碰撞階段（CFP），此CFP 階段長度以及GTS 時隙分配同樣在信標幀中進行說明。CFP 階段被用于將大數據從節點傳送到協調器，或將大數據從協調器傳送到節點。該階段是否存在取決于前一個超幀期間協調器或節點是否產生了大數據。如果某些節點有大數據產生，則節點將在上一個超幀向協調器報告，協調器根據數據優先級情況決定是否立即中斷此超幀并開始新的超幀。若大數據優先級足夠高，則當前超幀被立刻中斷并開始一個新的超幀。在新超幀中，CFP 階段被激活并為節點分配GTS 時隙，節點將在自己的GTS 時隙將數據發送到協調器。若協調器有大數據產生并要發送給某個節點，協調器判斷大數據優先級，若優先級足夠高，則中斷此超幀并開始新的超幀，同時在新的超幀信標幀中對情況進行說明，激活CFP 并分配GTS，在GTS 時隙內將數據發送到相應節點。

Fig.1 The superframe structure of MAC protocol in this paper圖1 本文MAC 協議的超幀結構

在CFP 階段之后是一個較長的非活躍階段。因為當所有節點都工作在低傳輸模式時，網絡內的流量大部分時間會保持在很低的水平，因此一個較長的非活躍階段有助于幫助協調器和節點節約能量，但可能導致節點數據不能被及時發送到協調器，或協調器數據不能及時發送給節點。因此，本文MAC 協議使用嵌入時隙（insertion time slots）機制解決此問題。具體來說，就是在非活躍階段插入一些短的嵌入時隙，以傳輸節點與協調器產生的數據。

圖1（a）中的超幀結構僅適用于所有節點都工作在低傳輸模式的無線體域網，而不能滿足一個有節點工作在全傳輸模式的無線體域網的需要。為了支持這種無線體域網，本文MAC 協議設計了如圖1（b）所示的超幀結構。如圖所示，循環階段取代了圖1（a）中的非活躍階段。一個循環階段的開始有一個活躍階段，該活躍階段可供全傳輸模式節點傳輸數據，此階段可劃分為任意的復雜結構以適應全傳輸模式節點的需要。一個循環階段的剩余部分類似于圖1（a）中的非活躍階段，包含一個長的非活躍階段并插入了許多嵌入時隙。

從圖1 可以看出，一個嵌入時隙包括一個數據段和一個確認段，數據段又可包含多個數據子段。數據子段被用來為協調器和工作在低傳輸模式下的節點傳輸數據。如果一個無線體域網內的低傳輸模式流量非常低，則可在一個嵌入時隙內僅配置一個數據子段。

在一個嵌入時隙的數據子段傳輸的幀被稱作一個嵌入數據幀。如圖2 所示，一個幀的總長度為10 個字節，具有4 個字段。如果此幀是一個上行幀，則地址字段指示了發送節點的地址；如果此幀是一個下行幀，則此地址字段指示了接收節點的地址；如果此幀是一個廣播幀，則此地址應設置為255，也即廣播地址。

Fig.2 Structure of embedded data frame圖2 嵌入數據幀結構

圖3 顯示了在確認段傳輸的幀結構，這樣一個幀被稱作一個嵌入確認幀。嵌入確認幀主要用于確認從節點發送到協調器的數據幀。確認幀的長度和結構隨數據子段和節點數量的變化而變化。

Fig.3 Structure of embedded acknowledgement frame圖3 嵌入確認幀結構

2.2 MAC 協議操作過程

本文MAC 協議的操作分為兩種：上行操作和下行操作。上行操作完成從節點到協調器的數據傳輸，下行操作完成從協調器到節點的數據傳輸。為了支持這些操作，每個節點或協調器需要維護一個存儲數據幀的列表。這些數據幀以優先級排列，因此列表的首部存儲著優先級最高的數據。因為大部分流量都是從節點到協調器的，因此大部分數據子段被分配為上行子段，只有小部分數據子段被分配為下行子段。如果一個無線體域網包含很多節點，或在某些情況下流量增加，則會出現在一個嵌入時隙間隔產生多個幀的情況。在這種情況下，有必要將節點分成多個組，每一組分配不同的數據子段完成數據傳輸，從而有效降低碰撞概率。如圖4 所示，節點A、B 使用不同的數據子段進行傳輸。

Fig.4 Nodes use different data segments to send data to the coordinator圖4 節點使用不同數據子段發送數據到協調器

圖5 顯示了協調器使用一個下行嵌入時隙廣播一個小數據或命令幀給所有節點的操作。這種操作可用來驅動一個執行器節點。數據或命令被封裝到數據字段并被廣播到所有節點。所有節點在數據子段都會醒來接收協調器發送的幀并檢查幀中的地址字段，如果一個節點發現該幀不是發送給它的，則丟棄此幀并進入睡眠狀態；如果一個節點發現該幀是發送給它的，則接收此幀。接收完畢后，一個節點可能切換進入睡眠模式或執行其他操作，這取決于幀的內容。

Fig.5 Coordinator broadcast data to all nodes圖5 協調器廣播數據給所有節點

3 性能仿真評估

仿真采用一個具有24 個節點和1 個協調器的星形無線體域網。仿真工具采用OMNeT++［14］，所有節點和協調器的天線設置都基于CC2530［15］。該天線模塊有3 種能量模式：低能耗模式2（Low Power Mode 2）、低能耗模式1（Low Power Mode 1）和活躍模式（Active Mode）。仿真使用6 個MAC 方案：802.15.4［13］、MEM-MAC 以及4 個GN 取不同值的本文MAC 協議方案。4 個GN 值分別為3、6、12、24，代表每一組節點集分別有8 個、4 個、2 個、1 個節點。MEM-MAC和本文MAC 協議方案的IN 值都設置為4。

3.1 功耗

節點傳輸不僅傳輸已有數據，而且需要傳輸碰撞時產生的額外數據，這些操作的功耗［16］計算公式如下：

其中，TData為數據子段長度，Ti_data為數據傳輸時間，PTX表示當天線處于發送模式時一個節點的功率消耗，TCSMA表示一個節點競爭接入媒體的平均時間，TCSMA可使用如下公式計算：

如圖6 所示，在數據率較低的情況下，所有本文MAC協議的節點能耗低于802.15.4 和MEM-MAC。

Fig.6 The change of node power consumption with the average data transmission interval圖6 節點功耗隨數據發送平均間隔的變化情況

協調器的傳輸操作包括廣播常規和非常規信標幀以及確認數據幀。因此，協調器的傳輸功耗［17］可表示為：

如圖7 所示，在流量較低的情況下，如當平均數據發送間隔大于10s，各種MAC 方案的平均功率從高到低依次為：本文MAC 協議GN=24、本文MAC 協議GN=12、本文MAC 協議GN=6、本文MAC 協議GN=3、802.15.4 和MEM-MAC。

Fig.7 Variation of coordinator power consumption with average data occurrence interval圖7 協調器功耗隨平均數據發送間隔的變化情況

3.2 平均延遲

下面分析本文MAC 協議的大數據和小數據傳輸時延［18］。無論是小數據還是大數據，其等待時間是一樣的。令IIns為確認時隙間隔，則等待時間為。小數據的平均時延可表示為：

大數據的平均時延可表示為：

其中，TIns是一個嵌入時隙的長度。IIns、TCAP和TCFP的長度都是在運行中確定的。

圖8、圖9 分別給出了小數據和大數據的平均延遲。由圖可知，隨著平均數據發送間隔縮短，所有幀延遲都會增加。

Fig.8 Influence of average data occurrence interval on average delay of small data圖8 平均數據發送間隔對小數據平均時延的影響

Fig.9 Influence of average data occurrence interval on average delay of big data圖9 平均數據發送間隔對大數據平均時延的影響

3.3 時隙利用率

本文MAC 協議的時隙利用率［19］指標可使用節點和協調器活躍時間的并集占所有時間的比率來反映，可表示為以下公式：

如圖10 所示，在流量很低的情況下，時隙利用率從低到高為：本文MAC 協議GN=24、本文MAC 協議GN=12、本文MAC 協 議GN=6、本 文MAC 協 議GN=3、802.15.4 和MEM-MAC。結果表明，時隙數量越大，時隙利用率越低。

Fig.10 Effect of average data occurrence interval on slot utilization efficiency圖10 平均數據發送間隔對時隙利用效率的影響

4 結語

本文針對低傳輸模式監測節點的需求，設計了一個基于信標的自適應MAC 協議。本文MAC 協議采用長超幀結構以降低信標幀收發能耗，并在超幀的非活躍期插入嵌入時隙以傳輸低傳輸模式節點的流量，同時滿足其QoS 需求。對于具有較多節點以及流量較高的無線體域網，采用在一個嵌入時隙內設置多個數據子段的方法適配較高流量，降低幀碰撞幾率。因此，本文MAC 協議能夠支持低傳輸模式和高傳輸模式共存的無線體域網。低數據率無線體域網流量可能隨時間發生較大變化，本文MAC 協議可以改變在一個嵌入時隙內的數據子段數量，因此該協議具有適配時變低傳輸模式流量的能力。在后續研究中將針對此問題進行深入研究，包括根據時變流量優化在一個嵌入時隙內的數據子段數量、CAP 階段長度優化以及自適應算法設計等。