面向医护监测的无线体域网MAC层协议策略研究

易 钢

(湖南中医药大学，湖南 长沙 410208)

面向医护监测的无线体域网MAC层协议策略研究

易 钢

(湖南中医药大学，湖南 长沙 410208)

针对医疗护理领域的业务需求和监护设备节点存在多样性的特点，在IEEE802.15.4协议基础上，讨论一种无线体域网混合MAC层协议策略。通过使用长超帧结构消除多余信标帧结构以提高时隙的利用率；通过短中断机制发送随机数据保证了数据的实时性；在竞争访问阶段使用短中断机制，提高能量利用率，延长网络的生存时间。仿真实验结果证明，混合MAC协议提高了医护监测应用中的网络效率。

医护监测；MAC；无线体域网；时槽保障机制

0 引言

随着我国经济的快速发展和卫生事业的提高，健康的生活正受到全社会的高度关注，在国家提倡“互联网+”的背景下，我国的医疗事业迈入新的发展时期。首先，表现在人口正快速老龄化，空巢老人越来越多，医护人员缺口越来越大；其次，我国农村人口众多，医疗水平和医疗设施地区差异极其不平衡；另外，慢性病越来越高发，如心脑血管病以及肥胖病等。针对以上问题的有效办法就是，扩大居家医疗和社区医疗，但必须研发低成本、可穿戴并可无缝接入先进医疗系统的相关设备[1-2]，对涉及人体的关键体征数据(如血压及血糖)进行不受时间和地点限制的监测、及时的预警和分析[3]。收集和处理这些体征数据的传感器设备必须组成通信网络，这就是WBAN(无线体域网)，通过WBAN和其他数据通信网络无缝接入当地先进医疗资源系统。对于WBAN的研究，MAC层涉及无线体域网的能量消耗、扩展性、鲁棒性以及医疗数据的隐私和数据安全问题，此次主要讨论无线体域网混合MAC层协议策略问题[4]。

无线体域网是无线传感器网络的一个分支，相比传统的WSN，规模小、节点少、距离短以及受人体电磁影响大。通讯链路、拓扑结构随着人体运动的改变，可能节点的通讯会受到严重影响，因此需要更加可靠的MAC层协议。医护监测的相关数据包括心电、血压及血糖等数据，不同数据对数据率、时延和优先级的要求差异很大[5]，因此需要自适应好的MAC协议。

1 国内外研究现状

医护监控的无线体域网研究应用主要包括物理层研究、MAC技术以及路由技术等。对于MAC层技术，主要是节点周期性数据和随机数据的处理机制问题。现阶段无线体域网有以节能为目标研究的医护个域网新MAC协议，主要思路是减少碰撞以及空闲等待时间来延长网络的生存时间；有基于IEEE802.11e分组调度机制改进的MAC协议，思路是通过修改不同任务的优先级，使原协议适应医护监控体域网的需求；有基于周期性调度MAC协议，通过时分复用技术，分配无线体域网中各医护监控节点的时隙，保证节点之间无冲突地使用无线信道，对于突发数据、非周期长数据和连续数据的问题采用优化机制解决；有针对无线体域网紧急事件的MAC协议，但这些协议考虑了紧急事件而没有考虑其他随机事件。基于以上协议的优缺点，本文提出一种新的无线体域网混合MAC层协议。

2 无线体域网混合MAC层协议

无线体域网在实际应用到医疗监测中时，将会有两大类数据产生，第1类是医疗监测的各个传感器节点周期性产生的周期数据。这些数据周期性地传输给协调器，不同传感器的传播速率和时延都不一致，如压力传感器、温度传感器和血氧传感器等，不同人体的身体素质也会有不同传输速率和时延的要求。第2类是医疗监测产生的紧急生理数据、用户命令和控制数据等。与第1类数据不同，这类数据只有在事情发生时才会产生，如病人突然中风，则某些传感器节点需紧急使用信道发送数据，这类数据为随机数据。

无线体域网根据周期性数据和随机数据的不同需求，目前已经提出了多种混合协议，这些协议基本上是结合CSMA/CA协议和TDMA协议。TDMA协议通过避免冲突的方式减少能量的消耗；CSMA/CA协议可以传输突发数据和紧急数据，比如时隙请求、释放、增加退出节点等。而在IEEE802.15.4协议标准中，一般使用超帧机制，超帧结构包括竞争访问阶段和休眠阶段，竞争访问阶段被划分为16个等长时槽[6]。此次在混合CSMA/CA和TDMA的协议中，使用长超帧的工作模式，每个长超帧都有一个信标帧和一个通讯阶段，广播新的信标帧之后可以开始新的长超帧，并在下一长超帧中发送随机数据，这样的机制也可消除多余信标的使用，从而降低能耗。在无线信道访问阶段，长超帧绝大部分时隙分配给产生大量周期性数据的节点，对于非周期性随机数据与网络控制数据，通过在长超帧中插入短中断时隙进行传输，以保证时效性和可靠性。协调器还可以利用中断时隙来打断长超帧的运行，并开始下一个新的长超帧，只有在有多余的随机数据时，竞争访问阶段才被激活，并用于传输数据。

3 混合MAC协议实现

3.1 网络模型构建

本文提出的混合MAC协议所针对的医护监控应用，一般适应于星型网络拓扑结构，它包括一个协调器和N个异构节点。监测节点使用电池供电，电池电量有限，而协调器可更换电池，视同为能量无限，每个监测节点都在一个无线碰撞域，相互之间都在一个感知范围内。混合MAC协议使用长超帧结构，时间被划分为超帧，每个长超帧有一个信标帧和一个通讯阶段。每个节点获得人体的一个生命体征，如体温、血压及心电等[4]。

3.2 混合MAC协议策略分析

在无线体域网中一般有3种监测模式，第1种是固定频率的监测，如心电图的监测，这种数据会产生大量数据，消耗较大带宽资源；第2种依然是固定频率监测，但只对预设超范围数据进行报告，如体温数据和血压类数据；第3种是只监测一次并报告数据。第1种是周期性数据，后2种是突发产生的随机数据，对于不同类型的数据，对实时性和可靠性的要求是不一样的，体温的实时性要求比较低，而网络控制、用户命令的数据实时性要求较高。

对于上面3种类型的数据，基于IEEE802.15.4协议，设计了一种比较合适的混合MAC协议，既可以保证实时性和可靠性，又能提高能量与信道资源的利用率，该协议策略如下。

3.2.1 时隙分配设计

在这种无线体域网中，使用信标中断的机制来调度，一般周期数据远大于随机数据，因此尽可能地分配时隙给周期性数据节点，以提高时隙利用率。附加的竞争访问阶段被激活来传输产生的随机数据，数据较大的随机数据也可采用GTS时槽保障机制传输，但这些时隙必须根据数据大小来分配。如图1所示，长超帧开始于一个信标帧，包括时间戳、超帧间隔以及时隙分配等信息，大部分长超帧分配成GTS，这些时隙分配给周期性监测产生大流量数据的节点或大尺寸随机流量发送节点。信标帧后面可选GTS帧，它分配给大流量数据的节点或大尺寸随机流量节点，是否存在取决于前面运行的长超帧，如某节点产生了大流量数据，就会发出GTS请求，接下来的GTS时隙就会分配给这节点携带大流量数据。非周期随机数据的传输是在竞争访问阶段被激活，在GTS时隙中插入中断时隙来实现的，中断时隙打断运行的长超帧，提供给协调器发送命令或传输数据的机会，中断时隙的机制与计算机中的中断类似。

图1 超帧的帧结构

在超帧的尾部有一个可选的竞争访问阶段(CAP)，CAP是否存在取决于前面随机数据的产生，如果多于一个随机数据，这些数据将竞争使用一个中断时隙，因此中断时隙设计成两部分：数据帧和确认帧。中断时隙数据段如图2所示，中断时隙确认段如图3所示。

图2 中断数据帧结构

图3 中断确认帧结构

3.2.2 实时性设计

对于周期性数据节点，本文分配GTS时隙传输，以保证实时性。对于随机数据，要求实时性较高的，采用中断机制，插入GTS时隙内部，当有大尺寸随机数据发送时，协调器启动中断，打断当前长超帧传输，开始新的长超帧，在新的长超帧里传输大尺寸随机数据，这种机制既能保证周期性数据的实时性，又能保证随机数据的实时性。

3.2.3 能量管理设计

对于低延时的随机数据，将不采用信标的方式传输，这样节省能量消耗，减少通信资源的浪费。通过采用长超帧与中断时隙，而非使用短超帧机制，减少信标帧的发送，达到节能的目的，同时又能保证实时性的要求。

3.2.4 可靠性设计

随机数据和可靠性要求较高的数据，如监护对象突然跌倒，体位传感器节点发出的紧急非周期数据，为了确保这类数据的可靠性，本协议采用确认与重传机制来保证数据可靠性与实时性，1个中断时隙包括2个字段，1个字段用于随机数据和控制数据；另1字段用于对传输进行确认。

3.3 混合MAC协议仿真实验

本文构造了1个星型无线体域网，包括1个协调器和18个监测节点，根据常用CC2420芯片和IEEE802.15.4标准设定模拟器参数[8-9]，对比IEEE802.15.4协议和混合MAC协议，在保证数据实时性和可靠性的前提下，测试能量效率、数据延迟和时隙利用率3个方面的变化。

通过时隙设计分析知道能量效率、数据延迟和时隙利用率与802.15.4的信标周期和混合MAC协议的中断时隙间隔相关，为了检测信标周期和中断时隙对能量效率、数据延迟、时隙利用率的影响，实验中随机事件发生间隔为20 min，且所有节点具有相同的平均随机数据产生间隔，比较4种MAC协议机制，第1种是802.15.4，其余3种属于混合MAC机制，使用相同的中断时隙间隔和不同的信标帧间隔。假设Bt是信标帧间隔，Di是中断时隙间隔，则每个超帧中包含中断时隙的数量就是X=Bt/Di。可见混合MAC协议的不同在于n的不同，实验中仿真3种X值，分别为4、16和64。

802.15.4和3种混合MAC的能耗如表1所示，分析得出所有机制都会随间隔增大而能耗减小，混合MAC机制的平均能耗都小于802.15.4机制。

表1 信标帧间隔和中断时隙间隔对节点平均能耗的影响

间隔/s802．15．4机制能耗/mW混合MAC机制能耗/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中给出4种机制时隙利用效率，这个性能指标衡量了传输随机数据使用多少时隙资源，对于802.15.4机制，信标帧和CAP是影响此指标的关键因素；对于混合MAC机制，信标帧和中断时隙是影响此指标的关键因素。随着时间间隔的增大，所有机制的时隙利用率都会减小。对于802.15.4，为了传输随机数据，至少分配一个CAP，共有16个时隙，因此时隙利用率趋近1/16[6]；对于混合MAC机制，使用了短中断时隙，利用率明显高于802.15.4机制[7]。

表2 信标帧间隔和中断时隙间隔对节点时隙利用率的影响

802.15.4和3种混合MAC的平均时延如表3所示，分析表1和表2，较长的信标帧间隔和中断时隙间隔提高了时隙利用效率，但也增加了数据传输时延。表3显示数据的时延随标帧间隔和中断时隙间隔的变化而变化，信标帧间隔和中断时隙的增加导致平均时延也会增加，为了满足数据实时性要求，信标帧间隔和中断时隙需设置成合适的值，一般平均时延要求小于T，则信标帧间隔和混合MAC机制的中断时隙间隔设置成小于2T。实验通过比较调整随机事件的发生率，当随机数据产生率不高时，混合MAC机制能降低能耗和保证时隙使用率，又能满足数据时延的要求；当随机数据率高时，混合MAC随着竞争的增加，中断时隙频繁发生，碰撞几率增大，混合MAC能量效率和时隙利用率会大幅度降低[10]。

表3 信标帧间隔和中断时隙间隔对节点平均时延的影

间隔/s802．15．4机制下平均时延/s混合MAC机制下平均时延/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

通过以上策略改进了以往的混合MAC协议，这种机制比较适应持续医疗监护的无线体域网的需求[11]。

4 结束语

设计的混合MAC协议是在保证实时性和可靠性的前提下降低能耗，提高时隙的利用率，保证节点数据传输的时延。混合MAC协议采用长超帧结构，保证了数据传输的传播时延。在IEEE802.15.4基础上，修改了竞争访问阶段机制，用短中断时隙代替，提高了能量的利用率。对于随机数据，混合MAC协议采用短中断时隙机制，保证了数据传输的实时性。实验表明，在每个中断周期内随机数据产生次数小于1的情况下，本混合MAC协议在能量利用率、通讯时延和通讯效率等方面有明显改善，提高了无线体域网的网络性能[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 钢.面向医护监测的无线体域网MAC层协议策略研究[J].无线电通信技术，2017，43(3):23-26，48.

[YIGang.ResearchonMACLayerProtocolofWirelessBodyAreaNetworkforMedicalMonitoring[J].RadioCommunicationsTechnology，2017，43(3)：23-26,48.]

2016-12-06

湖南省科技厅科技计划项目(2013FJ3022)

易 钢(1976—)，男，副教授，主要研究方向：计算机网络、物联网。

TP393

A

1003-3114(2017)03-23-4