人体局域网MAC层节能机制研究

黄华伟，李承晓，庞宇，李康，张正亮

（光电信息感测与传输技术重庆市重点实验室，重庆400065）

前言

随着电子医疗的发展，人体局域网（Body Area Network,BAN）逐渐成为人们所了解，且通常被看作是应对医疗保健费用剧增以及医疗服务提供商匮乏的一种解决方案。

人体局域网是一种新的超短距离无线通信网络，属于多学科交叉领域。通过附在人体身上或植入人体内的传感器系列节点将采集到的生命体征信息如血压、心率、体温、血氧饱和度、心电等汇聚到智能终端，信息经显示、汇集、处理、存储、传输能力，最终形成个人健康信息、处理决策的流程方案，经过运营商的宽带无线传输网络将数据传送至个人、社区与家庭或监控中心，可实现生命体征的连续、实时、远程监护，提供远程健康评估，有效的缓解目前医疗资源匮乏，利用率低等突出矛盾，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜能。

为了开发出一种适合BAN应用的低功耗优化型通信标准，2007年11月IEEE 802.15.6工作小组(IEEE TG6小组)正式成立，专门致力于研究开发应用于健康护理服务的短距离无线技术，为BAN定义一种新的物理层/介质接入控制层(PHY/MAC)标准[1]。在TG6工作小组于2010年6月IEEE 802.15.6/D01发布后，更多的国内外学者投身于对该协议草案的研究和试图改进的工作中，使得在原有的基础上协议草案得到不断更新与完善，相继发布了五份修改版（D02～D06），最终于2012年3月份发行了该标准的最终版本。在此过程中，该小组除了为研究健康医疗应用的BAN提供标准外，逐步把研究的目标扩大到非医疗应用的BAN，如娱乐、航空等领域。相比现有标准，IEEE 802.15.6拥有许多优势：它侧重于短距离、低成本、低功耗和低实施复杂度，将完成BAN的标准化。在2012年3月份发布IEEE 802.15.6标准的正式版本，其主要内容规定了BAN的物理层和MAC层基本结构，该标准还指出BAN的网络拓扑、加密认证安全方面的实现方式。

跟现有的可能应用于人体局域网的两种标准（IEEE 802.15.1-蓝牙，IEEE 802.15.4-ZigBee）相比较，虽然三种标准的功耗都很低，但IEEE 802.15.6标准具有明显的优势。表1为三种标准其它的一些参数的比较，可以看出，若应用于人体局域网，蓝牙和ZigBee在支持频段和传输速率上都存在一定的缺陷，在传输距离方面也超出了安全范围，而且IEEE 502.15.6的初始应用目标就是人体局域网，在人体安全方面有明确的规定，而其它两种标准则没有。因此，IEEE 802.15.6标准预期可广泛应用在人体穿戴式传感器、植入装置，以及健身医疗设备中。

表13种标准的比较Tab.1comparison of 3standards

对于BAN节点而言，能耗是一个相当重要的参数。BAN节点附着在人体表或植入体内进行一段时间周期或长时间的体征信号采集和数据传输，频繁更换电池或者充电，对穿戴式节点来说并不理想，对许多植入式节点而言更是不可接受的。所以拥有较长的生命周期是对BAN节点的基本要求。体积小、容量大的电池还在研发阶段，因此，减小节点能耗是现阶段增加其生命周期唯一可行的方法。

本文针对BAN节点能耗来源，对人体局域网MAC层节能机制进行了分析，提出了一种基于预约机制的MAC协议，并对其重传率和功耗进行了仿真对比。

1 MAC层节能机制

对于大多数无线传感网节点而言，其功耗的主要来源是射频模块的发送和接收，人体局域网中的节点也不例外，图1为BAN节点各单元能耗比。由此可知，控制射频模块工作的时间是BAN节点节能的关键。而MCA协议控制着无线信道的使用，也就决定了无线模块的工作状态，故目前对于BAN节点节能的研究主要集中在MAC协议的改进与高能效MAC协议的设计。在改进或设计MAC协议时，还要考虑网络的其他性能，如低延时性、网络的稳定性、高可靠性等，在实现节能的同时，满足人体局域网的应用要求。研究表明，造成能量浪费的主要因素有空闲侦听、消息碰撞、窃听、控制报文开销、负载波动和发送失效等[2]。目前在人体局域网的MAC改进和协议设计中，主要采用减少数据流量、冲突避免以及增加射频模块休眠时间等方法来减少上述因素带来的能耗[3]。

图1节点各单元能耗比Fig.1power consumption ratio of node's each unit

1.1 减少数据流量

减少数据流量也就减少了射频收发模块的工作时间，达到降低功耗的目的。在国际上不少研究着在这方面做了研究，先后提出了BSN-MAC、BATMAC、CA-MAC等协议。

BSN-MAC通过信息反馈形成对MAC参数的闭环控制，提出了一种控制算法使协调器适应IEEE 802.15.4的超帧参数。传感器节点将特定应用和特定信息实时地反馈给协调器，例如传感器类型、剩余的数据缓冲、能量水平和数据传输速率要求等，协调器以此做相应调整来减少数据流量的浪费[4]。BATMAC可以自动检测阴影效应并通过中继增强和自适应调整其通信协议来避免阴影效应造成的流量浪费[5]。CAMAC是一种采用基于竞争和基于TDMA两种方式混合的可以前后感知的MAC协议，提出了一种动态控制机制，根据信道信息动态调整信道接入机制，从而降低丢包率和增加重传的成功率，达到减少流量的目的。

1.2 避免冲突

避免冲突能增大数据传输的成功率，减少数据重传，从而降低功耗。避免冲突的关键是信道接入机制，在IEEE 802.15.6标准中，用于独占访问阶段和竞争访问阶段的信道接入机制有两种：CSMA/CA和时隙Aloha。对于BAN特殊运用场景，国际上有不少研究者致力于对信道接入机制的研究，改进、优化或是提出新的信道接入机制，典型的有MedMAC、BodyMAC、DQMAC。

MedMAC通过改变TDMA的信道号来避免信道访问中的竞争冲突[6]。BodyMAC采用上下行机制，利用灵活的带宽分配减小数据包冲突的可能性，并在上下行中设定了完全无冲突的免冲突部分，大大降低了数据包冲突，提高了节点的能量效率[7]。DQMAC采用无冲突队列来控制传感节点对媒介的访问，通过跨层模糊规则调度算法和能量感知策略来为节点分配无冲突的数据发送时隙，进而由数据发送队列来对传感节点的数据包进行无冲突调度[8]。

1.3 增加射频模块休眠时间

射频模块处于工作状态时，节点的功耗是最大的，增加射频模块的休眠时间可以有效的节能。典型的有On-Demand MAC和VLPM。

On-DemandMAC引入了一种仅用于信道侦听的辅助信道，这样节点在信道侦听过程中就不会有任何能量开销，极大地延长了节点的寿命；VLPM 是在已有唤醒无线电方法的基础上提出的，主要用于增加射频模块的休眠时间，通过把负载分为上行和下行两种来解决已有唤醒无线电方法在降低能耗时无法兼顾低时延的问题[3]。

2 基于预约机制的MAC协议

BAN网路中，由于节点对体征信号（体温、心电、血氧、脑电等）采集大多都具有周期性特点，其数据的传输也因此不同于其他的网络，大多具有周期性。针对这一特点，提出了一种基于预约机制的MAC协议。

2.1 IEEE 802.15.6协议中帧格式和超帧结构

在IEEE 802.15.6标准中，共定义了三种帧类型，即管理帧、控制帧、数据帧。其帧格式如图2所示，由一个固定长度的MAC帧头、一个可变长度的MAC帧体和一个固定长度的帧尾FCS字段三部分组成[9]。

IEEE 802.15.6超帧结构图如图3所示，超帧结构被划分为独占访问阶段（Exclusive Access Phase, EAP）1（EAPl）、随机接入阶段（Random Access Phase, RAP）1（RAPl）、Type I/II阶段、独占访问阶段2（EAP2）、随机接入阶段2(RAP2）、Type I/II阶段、以及一个竞争接入阶段（Contention Access Phase, CAP）。

在独占访问阶段、随机访问阶段和竞争访问阶段，各节点采用CSMA/CA或时隙Aloha接入。

2.2 预约MAC协议

基于预约机制的MAC协议超帧结构如图4所示，包含独占访问阶段（EAP）、预约请求阶段（Reservation Request Phase, RRP）、时隙分配阶段（Slot Allocation Phase, SAP）、免竞争访问阶段（Contention Free Phase, CFP）、随机访问阶段（RAP）以及竞争访问阶段（CAP）。对比IEEE 802.15.6协议的超帧结构可以看出，新的超帧保留了其中的独占访问阶段、随机访问阶段和竞争访问阶段，新增了时隙分配阶段和免竞争访问阶段，并在结构上做了一定的调整。

预约MAC协议中，需要周期性采集数据的节点只需在第一次发送数据之前发送一次预约帧进行预约，预约帧中包含优先级、数据周期和帧长度等信息，协调器在收到预约帧后回复预约确认帧表示预约成功。协调器将预约信息保存到本地，并根据这些信息分配免竞争访问阶段，分配信息在时隙分配阶段由协调器发送给各个节点，各个节点在收到分配信息后便在相应时隙发送数据。由于BAN网络中发送的数据大部分都是周期数据，而周期数据都在免竞争阶段有序地发送，因此不存在数据包碰撞，其它少数的非周期数据中的紧急数据在独占访问阶段发送，普通数据在随机访问阶段和竞争访问阶段发送。

图2MAC层帧格式Fig.2frame format of MAC layer

图3 IEEE 802.15.6超帧结构Fig.3 superframe in IEEE 802.15.6

图4基于预约机制的MAC协议超帧结构Fig.4superframe in new reservation strategy-based MAC protocol

由于大部分数据都是在免竞争阶段发送，所以新协议不仅大大减少了数据包冲突，而且在免竞争阶段节点不需要对信道进行侦听，因此该协议能有效地降低功耗。

2.3 结果

本文对基于预约机制的MAC协议和原IEEE 802.15.6标准进行了重传率和节点平均功耗进行了仿真，结果如图5、图6所示：

图5重传率对比Fig.5comparison of retransmission rate

图6节点平均功耗对比Fig.6comparison of node's average power

从图5、图6可以看出基于预约机制的MAC协议能有效地减少数据包冲突，节能效果也比较明显。

3 结束语

本文重点是对人体局域网中MAC层节能问题进行研究，在阐明MAC层节能机制原理的同时，针对人体局域网大部分节点发送数据具有周期性的特点，提出了一种基于预约机制的MAC协议。该协议是在IEEE 802.15.6协议的基础上，更改了其超帧结构，新增了预约帧、预约确认帧和时隙分配帧，通过预约机制的MAC协议，可有效避免数据冲突，达到减小功耗的目的。

文中提出的基于预约机制的MAC协议在数据量交大是才有明显的优势，因此后期还可以设计低速率量下面的MAC协议，两者相结合，就能更好地实现节能。

[1] Rashwand S, Misic J. Performance evaluation of IEEE 802.15.6 under non-saturation condition . Global Telecommunications Conference (GLOBECOM 2011), 2011 IEEE. IEEE, 2011: 1-6.

[2] Gopalan S A, Kim D H, Nah J W, et al. A survey on power-ef fi cient MAC protocols for wireless body area networks. Broadband Network and Multimedia Technology (IC-BNMT), 2010 3rd IEEE International Conference on IEEE, 2010: 1230-1234.

[3] 卢先领, 彭能明, 陆胜男, 等. 无线体域网节能策略综述. 计算机应用研究, 2013, 30(2): 325-329.

[4] Li H, Tan J. An ultra-low-power medium access control protocol for body sensor network. E- ngineering in Medicine and Biology Society, 2005. IEEE-EMBS 2005. 27th Annual Internati- onal Conference of the. IEEE, 2005: 2451-2454.

[5] Maman M, Ouvry L. BATMAC: an adaptive TDMA MAC for body area networks performed with a space-time dependent channel model . Medical Information & Communication Technology(ISMICT), 2011 5th International Symposium on. IEEE, 2011: 1-5.

[6] Timmons N F, Scanlon W G. An adaptive energy efficient MAC protocol for the medical body area network. Wireless Communication, Vehicular Technology, Information Theory and Aerospace & Electronic Systems Technology, 2009. Wireless VITAE 2009. 1st International Conference on IEEE, 2009: 587-593.

[7] Marinkovic S, Spagnol C, Popovici E. Energy-efficient TDMA-based MAC protocol for wireless body area networks. Sensor Technologies and Applications, 2009. Sensorcomm'09. Third International Conference on. IEEE, 2009: 604-609.

[8] Otal B, Alonso L, Verikoukis C. Highly reliable energy-saving MAC for wireless body sensor networks in healthcare systems. Selected Areas in Communications, IEEE Journal on, 2009, 27(4): 553-565.

[9] 周哲. 基于 IEEE802. 15.6 的无线体域网高效节能接入机制研究.华中科技大学, 2012.