基于突發緊急業務傳輸的高能效WBAN-MAC協議研究*

高景山 郭坤祺

（江蘇大學計算機科學與通信工程學院 鎮江 212013）

1 引言

無線體域網是以人體為中心，由和人體相關的網絡元素（包括個人終端，分布在人身體上、衣物上、人體周圍一定距離范圍如三米內，甚至人體身體內部的傳感器、組網設備等）組成的通信網絡［1］。該網絡用于監測人體體征信息和運動狀態［2］。其通常由一個中心節點和多個微型傳感節點組成［3］，這些節點應有足夠的能力來處理人體生理信息并將其傳輸到hub 節點，并通過無線網絡（如：WiFi，藍牙等）將其傳輸至遠程數據終端來幫助醫生及家屬對監護者進行實時監控。

在WBAN中，其所產生的數據一般為周期性數據（如：血壓，體溫等），而突發性的緊急數據較少。對于緊急數據的傳輸，無線體域網對其平均傳輸延遲、能耗水平、數據速率等要求較高。并且緊急信息的傳輸對患者生命健康至關重要。 在IEEE802.15.6 協議中，關于處理緊急數據主要方法為：1）提高該傳感節點的優先級并在EAP 中傳輸。2）讓其在競爭接入期中使用較小的競爭窗口（CW），來進一步提高緊急節點獲得時隙的概率。而IEEE802.15.6在緊急數據處理方面，難以解決緊急數據沖突問題，從而造成大量的數據重傳或者緊急數據丟包現象，影響緊急信息的傳輸成功率，對人體健康和網絡壽命帶來嚴重危害。

為減少基于IEEE802.15.6 標準中緊急節點數據包傳輸碰撞，提高緊急信息傳輸效率。本文提出了一種高能效的MAC 協議，它通過最小化競爭接入訪問，減小數據包碰撞概率來降低節點的功耗，并根據網絡的流量負載來分配節點時隙和不同接入期長度分配策略。此MAC 協議充分考慮在緊急傳輸業務下醫療信號之間的相關性，并且將報警幀與相應的緊急數據傳輸業務分離，從而提高緊急節點數據的傳輸效率。同時根據相應的網絡情況設置超幀不同接入期長度，更有效地利用了信道，并提高了節點的傳輸數據速率。分析和仿真表明，所提出的MAC 協議在平均傳輸延遲和功耗水平方面均優于IEEE802.15.6標準，從而達到更好的傳輸效率和更長的使用壽命。

2 IEEE802.15.6標準

IEEE802.15.6 標準是針對WBAN 提出的，專為先進的醫療和非醫療重要領域而提出［5］，其支持一個低復雜度、低成本、超低功耗和高度可靠的應用于人體（但不限于人體）的，滿足娛樂發展以及醫療保健產品和服務。2012年IEEE委員會發布了專門用于無線體域網的IEEE802.15.6 通信標準［6］，主要為無線體域網定義了物理層（PHY），媒體接入層（MAC）標準和安全規范［7］。根據IEEE802.15.6，帶有緊急警報的數據幀必須在1s 內通知，這意味著其優先級高于所有其他的信號［8］。

在無線體域網中，整個信道被劃分為超幀結構。每個超幀由相同長度的信標期作為定界符，并且中心節點擁有對信標期的控制調節功能。超幀的結構如圖1所示［9］。

圖1 IEEE802.15.6超幀結構

超幀始于信標幀，七個訪問周期依次為獨占訪問階段（EAP1，2），隨機訪問階段（RAP1，2），管理訪問階段（MAP1，2）和競爭訪問階段（CAP）［10~11］。其中EAP用于高優先級數據傳輸，RAP用于任何類型分組傳輸，RAP 和CAP 用于一般性數據傳輸［12］，而MAP 用于周期性數據傳輸［13］。超幀的初始化工作由信標完成。并在每個超幀的第一個時隙中進行傳輸。它的功能是確定中心節點，網絡管理，功率控制，定時同步等。B 和B2 擁有相同的功能和信息容量，因此本文僅考慮使用B。在EAP、RAP和CAP中使用CSMA/CA或時隙ALOHA機制［14］，而MAP 主要使用調度接入機制（TDMA）。在超幀中，各類接入階段的長度和出現順序是固定的，并且hub 節點可以將各接入階段設置為零來停用一些時段，但一般情況下RAP1，2 的長度不能為零。WBAN 的信道效率取決于超幀的各類接入階段的固定持續時間。正常情況下，在WBAN中一般都是周期性業務，其通常使用MAP 輪詢傳輸，而高優先級緊急數據的傳輸主要在EAP 或RAP（任何分組）中傳輸。而WBAN中的數據一般為周期性數據，突發性的緊急數據較少，所以EAP 和RAP 接入階段經常處于空閑狀態。本文重點考慮突發緊急業務傳輸情況下的處理方式，所以本文使用B、CAP（爭用周期）、CFP（非爭用周期）的超幀結構，其中CAP包含EP（EAP，RAP）和CAP，而CFP僅包含MAP。

3 MAC協議設計

3.1 超幀結構

本文根據WBAN的具體結構要求，將超幀結構分為兩個部分：活動周期和非活動周期，其中活動周期由用于同步，時隙分配和功率控制的B（信標）、CAP 周期、CFP 周期組成，而CAP（爭用周期）包括EP（EAP 和RAP 為一連續整體）和CAP，而CFP（無爭用周期）包括MAP1 和MAP2。每個超幀結構由多個時隙組成。注明：在本文中，超幀中所有接入周期長度都是可變的，hub 節點會根據網絡的情況設置每個接入期的長度，其各接入期長度甚至可以為0，本文超幀根據結構不同分為三類，如圖2 所示，A 型為傳輸普通周期型數據的常規傳輸模型，B 型為突發性緊急數據產生時的緊急模型，C型為緊急信號在前一超幀中發生沖突時的超幀結構模型。

圖3 協議的超幀結構

相關各接入階段的作用：

B：用于時鐘同步，時隙分配，功率控制，網絡管理，初始化網絡。

MAP1：用于正常的周期性數據傳輸。

MAP2：用于在CAP 周期中發送警報幀的緊急節點的數據傳輸。

EP（含EAP 和RAP）：當信道中感應到緊急數據時，hub 節點會廣播信標用于同步，并在EP 中發送警報幀。

CAP：由于醫療信號的相關性，一個器官的生理異常可能引起多個節點突發緊急數據，這會造成EP 中警報幀數據沖突，如果協調器在EP 中執行CCA，發現信道繁忙，協調器可在信標B 之后設置短的CAP，緊急節點可以通過CSMA/CA 在CAP 中傳輸警報幀。

下面介紹所提出各模型的數據傳輸過程。

3.1.1 A.常規模型

在這個模型中，我們假設每個節點都具有獨立處理傳感信息的能力，并檢查信道中傳輸的信號是否在正常范圍內。一旦EP 階段處于空閑狀態，即信道中傳輸的是正常周期型數據，則協調器在B 信標之后設置MAP1。使節點可以在MAP1 中周期性的發送其正常數據包而不發生沖突，并在任何傳輸之后hub節點接收各傳感節點發來的ACK幀，節點在發送ACK 幀之后休眠，直至下一次傳輸開始。這里要注意的是，在MAP1 中為各個傳感節點分配的時隙數量是不同的，這取決于各節點傳輸的數據大小和相應的數據速率。

3.1.2 B.節點競爭時的緊急模型

當傳感節點感應到信道中有緊急信息時，節點會被喚醒并等待hub 節點發送信標用于定時同步，并通知相關節點EP的位置信息。節點通過接收信標與hub 節點同步，并在EP 中發送警報幀。報警幀是一個小數據包，由傳感節點發送給協調器，以通知它網絡中的緊急情況。但由于WBAN 中的醫療數據具有高度耦合性和相關性，即一個器官的生理異常能引起多個傳感器同時向hub 節點發送緊急數據，那么在EP 中發生數據碰撞的可能性是很大的。因此在B 類模型中，為了考慮相關性和EP中可能的碰撞沖突，hub 在EP 中執行CCA（空閑信道評估），如果發現信道繁忙，hub 節點將在B 信標之后設置一個較短的CAP（如圖2B）。

3.1.3 C.緊急信號在前一個超幀發生沖突時的模型

緊急節點可以通過CSMA/CA 的機制在CAP周期中發送警報幀，hub 節點在CAP 之后設置MAP2，hub節點將MAP2中的時隙用于在CAP周期中發送警報幀的緊急節點的數據傳輸，從而相應地減少了非活動周期的持續時間。并且在MAP1和MAP2中的接入方式都是基于TDMA 接入，這樣緊急節點可以在MAP2 分配的時隙中無沖突的發送其緊急數據包（如圖2C）。協調器在MAP2 之后設置MAP1部分，用于基于傳感節點傳輸其正常的周期型數據。需要注意的是本文設置的超幀中MAP1 和MAP2 與IEEE802.15.6 超幀中的MAP1 和MAP2 雖然都是傳輸周期型數據且都使用基于TDMA 的調制方式，但是所代表含義卻有所不同。

如以上內容所述，為了進一步考慮在緊急情況下可能導致的EP中發生碰撞的醫療信號之間的相關性，hub 在EP 中執行CCA，并在緊急情況下設置CAP。通過上述方法，將它與只考慮一個報警時隙的其他MAC 協議相比，可以使緊急節點更可靠地傳輸其報警幀和緊急數據。另外，雖然報警幀在CAP 周期中也可能遭遇沖突，但其在MAP2 中緊急數據包在傳輸過程中是沒有沖突的。這可以提高緊急節點的傳輸效率和減少傳輸時間。如果警報幀在CAP 中傳輸時，hub 節點可設置較小的持續時間作為CAP 周期，從而可以減小超幀的長度，并且較小的超幀結構可以支持更多的數據速率。在緊急情況下，節點可以獲得更多的時隙。因此緊急數據傳輸與警報幀傳輸分離可以提高系統數據速率方面的性能。

3.2 優先級設置機制

為了更好地考慮醫療信號之間的相關性，可以引入相應的優先級設置機制。將WBAN 中的傳感節點劃分為不同的等級，在IEEE802.15.6中將節點分為0~7 級，在本文中可以將節點優先級分為兩級，其中周期性數據設置為0級（對應WBAN中0~4級），而突發性緊急數據設置為1 級（對應WBAN 中的5~7級）。在1級節點中，也要區分哪些節點比其他節點更重要，因此它將優先給hub 發送報警信號。這種分類是由節點的數據大小，數據速率以及相應的采集信息側重決定的。比如對于糖尿病患者來說，血糖信號比ECG 心電信號重要，因此血糖應該優先于ECG。為了實現這種優先級，我們可以給緊急節點設置更小的CW（競爭窗口）并減小緊急節點CW（競爭窗口）增加的次數，來進一步提高其獲得時隙的概率。

3.3 區別與優勢

與IEEE802.15.6的區別：1）因為CAP的持續時間較短，且突發的緊急節點及其數據是有限的，即節點在發送報警幀之前只需在CAP和EP中執行一次CCA。2）對于警報幀而言嘗試傳輸次數沒有限制，即警報幀在CAP中競爭信道直至發送成功。并且需要注意的是，在CAP 中hub 節點不接收ACK幀，因此各節點必須等待信標查明其發送的報警幀傳輸成功或者失敗。注明：如果查明B 中沒有為相應緊急節點分配的時隙，則該節點將會在第一輪數據傳輸之后在EP 中發送另一個報警幀，使其在下一個超幀中傳輸信息。

與IEEE802.15.6 協議相比，本MAC 協議的優點有：1）充分考慮在緊急傳輸業務下醫療信號之間的相關性，如果忽略了這一現象將會導致緊急節點在傳輸時會發生嚴重碰撞，從而使無線體域網傳輸效率大大降低。2）將報警幀與相應的緊急數據傳輸業務分離，可以提高緊急節點數據的傳輸效率。同時根據相應的網絡情況設置超幀不同接入期長度，更有效地利用了信道，并提高了節點的傳輸數據速率。

4 仿真結果

4.1 數學分析

在此階段，本文將計算所提出MAC 協議的平均傳輸延遲和功耗水平，并與IEEE802.15.6 MAC協議進行比較。

表1 包含了一個時隙期間收發器不同狀態的平均功耗。

表1 不同狀態下的各個階段功耗水平

不同狀態下的平均功耗計算如下：

發送狀態功耗：P_tx=42（mW）×T_tx；接收狀態功耗：P_rx=32（mW）×T_rx；空閑狀態功耗：P_idle=0.8（mW）×T_idle；CCA（空閑信道評估）功耗：P_CCA=10（mW）×n_CCA；（n_CCA：執行CCA 的次數）；睡眠狀態功耗：P_sleep=0.18（μW）×T_sleep。

不同狀態下總的平均傳輸延遲Dean_total計算如下：

T_ei為緊急數據包的間隔到達時間；S為時隙數量；P(zs)為在時隙S中成功傳輸結束的概率；Ps為成功傳輸的概率；P(zc)：在時隙C中成功傳輸結束的概率；wj為退避階段j中補償范圍的最大值；NBmax為最大退避次數。tMAX為可能新增加的時隙。

4.2 仿真結果

圖4 和圖5 中分別顯示了與IEEE802.15.6 相比，所提出的BT-MAC協議在緊急情況下的緊急數據平均傳輸延遲和不同緊急節點數的平均功耗。實驗結果表明，隨著緊急節點數的增多，兩種協議的緊急數據的平均傳輸延遲和不同節點數量的平均功耗都會相應增大，但由于BT-MAC協議充分考慮緊急傳輸業務時醫療信號之間的相關性，并且將報警幀與相應的緊急數據傳輸業務分離，同時根據相應的網絡情況設置超幀中不同接入期長度，所以提高了緊急數據的傳輸效率，降低了緊急數據在信道中傳輸碰撞的幾率，因此其平均傳輸延遲隨著緊急節點的增多緩慢增加，而IEEE802.15.6則增加明顯，且明顯比BT-MAC 延遲大，并且其功耗也比IEEE802.15.6 標準低很多。因此，BT-MAC 在緊急情況下可以更好地提高緊急數據的傳輸效率并提高其傳輸可靠性，從而可以更好地節省能量。

圖4 緊急數據平均傳輸延遲

圖5 不同緊急節點數的平均功耗

5 結語

本文針對面向醫療應用的無線體域網中突發緊急業務傳輸，提出了一種MAC 協議（BT-MAC），該協議通過最小化競爭接入訪問，減小數據包碰撞概率來降低節點的功耗，并根據網絡的流量負載來分配節點時隙和不同接入期長度分配策略，從而提高了緊急節點信息的傳輸效率和WBAN 的能量有效性。同時，通過Matlab 仿真，證明了BT-MAC 與IEEE802.15.6 相比，其在緊急情況下的緊急數據平均傳輸延遲和不同緊急節點數的平均功耗更低，在緊急情況下的傳輸效率更高。因此，本文為無線體域網中基于突發緊急業務傳輸模型和能量有效性研究提供了一定的參考。