基于突发紧急业务传输的高能效WBAN-MAC协议研究*

高景山 郭坤祺

（江苏大学计算机科学与通信工程学院 镇江 212013）

1 引言

无线体域网是以人体为中心，由和人体相关的网络元素（包括个人终端，分布在人身体上、衣物上、人体周围一定距离范围如三米内，甚至人体身体内部的传感器、组网设备等）组成的通信网络［1］。该网络用于监测人体体征信息和运动状态［2］。其通常由一个中心节点和多个微型传感节点组成［3］，这些节点应有足够的能力来处理人体生理信息并将其传输到hub 节点，并通过无线网络（如：WiFi，蓝牙等）将其传输至远程数据终端来帮助医生及家属对监护者进行实时监控。

在WBAN中，其所产生的数据一般为周期性数据（如：血压，体温等），而突发性的紧急数据较少。对于紧急数据的传输，无线体域网对其平均传输延迟、能耗水平、数据速率等要求较高。并且紧急信息的传输对患者生命健康至关重要。 在IEEE802.15.6 协议中，关于处理紧急数据主要方法为：1）提高该传感节点的优先级并在EAP 中传输。2）让其在竞争接入期中使用较小的竞争窗口（CW），来进一步提高紧急节点获得时隙的概率。而IEEE802.15.6在紧急数据处理方面，难以解决紧急数据冲突问题，从而造成大量的数据重传或者紧急数据丢包现象，影响紧急信息的传输成功率，对人体健康和网络寿命带来严重危害。

为减少基于IEEE802.15.6 标准中紧急节点数据包传输碰撞，提高紧急信息传输效率。本文提出了一种高能效的MAC 协议，它通过最小化竞争接入访问，减小数据包碰撞概率来降低节点的功耗，并根据网络的流量负载来分配节点时隙和不同接入期长度分配策略。此MAC 协议充分考虑在紧急传输业务下医疗信号之间的相关性，并且将报警帧与相应的紧急数据传输业务分离，从而提高紧急节点数据的传输效率。同时根据相应的网络情况设置超帧不同接入期长度，更有效地利用了信道，并提高了节点的传输数据速率。分析和仿真表明，所提出的MAC 协议在平均传输延迟和功耗水平方面均优于IEEE802.15.6标准，从而达到更好的传输效率和更长的使用寿命。

2 IEEE802.15.6标准

IEEE802.15.6 标准是针对WBAN 提出的，专为先进的医疗和非医疗重要领域而提出［5］，其支持一个低复杂度、低成本、超低功耗和高度可靠的应用于人体（但不限于人体）的，满足娱乐发展以及医疗保健产品和服务。2012年IEEE委员会发布了专门用于无线体域网的IEEE802.15.6 通信标准［6］，主要为无线体域网定义了物理层（PHY），媒体接入层（MAC）标准和安全规范［7］。根据IEEE802.15.6，带有紧急警报的数据帧必须在1s 内通知，这意味着其优先级高于所有其他的信号［8］。

在无线体域网中，整个信道被划分为超帧结构。每个超帧由相同长度的信标期作为定界符，并且中心节点拥有对信标期的控制调节功能。超帧的结构如图1所示［9］。

图1 IEEE802.15.6超帧结构

超帧始于信标帧，七个访问周期依次为独占访问阶段（EAP1，2），随机访问阶段（RAP1，2），管理访问阶段（MAP1，2）和竞争访问阶段（CAP）［10~11］。其中EAP用于高优先级数据传输，RAP用于任何类型分组传输，RAP 和CAP 用于一般性数据传输［12］，而MAP 用于周期性数据传输［13］。超帧的初始化工作由信标完成。并在每个超帧的第一个时隙中进行传输。它的功能是确定中心节点，网络管理，功率控制，定时同步等。B 和B2 拥有相同的功能和信息容量，因此本文仅考虑使用B。在EAP、RAP和CAP中使用CSMA/CA或时隙ALOHA机制［14］，而MAP 主要使用调度接入机制（TDMA）。在超帧中，各类接入阶段的长度和出现顺序是固定的，并且hub 节点可以将各接入阶段设置为零来停用一些时段，但一般情况下RAP1，2 的长度不能为零。WBAN 的信道效率取决于超帧的各类接入阶段的固定持续时间。正常情况下，在WBAN中一般都是周期性业务，其通常使用MAP 轮询传输，而高优先级紧急数据的传输主要在EAP 或RAP（任何分组）中传输。而WBAN中的数据一般为周期性数据，突发性的紧急数据较少，所以EAP 和RAP 接入阶段经常处于空闲状态。本文重点考虑突发紧急业务传输情况下的处理方式，所以本文使用B、CAP（争用周期）、CFP（非争用周期）的超帧结构，其中CAP包含EP（EAP，RAP）和CAP，而CFP仅包含MAP。

3 MAC协议设计

3.1 超帧结构

本文根据WBAN的具体结构要求，将超帧结构分为两个部分：活动周期和非活动周期，其中活动周期由用于同步，时隙分配和功率控制的B（信标）、CAP 周期、CFP 周期组成，而CAP（争用周期）包括EP（EAP 和RAP 为一连续整体）和CAP，而CFP（无争用周期）包括MAP1 和MAP2。每个超帧结构由多个时隙组成。注明：在本文中，超帧中所有接入周期长度都是可变的，hub 节点会根据网络的情况设置每个接入期的长度，其各接入期长度甚至可以为0，本文超帧根据结构不同分为三类，如图2 所示，A 型为传输普通周期型数据的常规传输模型，B 型为突发性紧急数据产生时的紧急模型，C型为紧急信号在前一超帧中发生冲突时的超帧结构模型。

图3 协议的超帧结构

相关各接入阶段的作用：

B：用于时钟同步，时隙分配，功率控制，网络管理，初始化网络。

MAP1：用于正常的周期性数据传输。

MAP2：用于在CAP 周期中发送警报帧的紧急节点的数据传输。

EP（含EAP 和RAP）：当信道中感应到紧急数据时，hub 节点会广播信标用于同步，并在EP 中发送警报帧。

CAP：由于医疗信号的相关性，一个器官的生理异常可能引起多个节点突发紧急数据，这会造成EP 中警报帧数据冲突，如果协调器在EP 中执行CCA，发现信道繁忙，协调器可在信标B 之后设置短的CAP，紧急节点可以通过CSMA/CA 在CAP 中传输警报帧。

下面介绍所提出各模型的数据传输过程。

3.1.1 A.常规模型

在这个模型中，我们假设每个节点都具有独立处理传感信息的能力，并检查信道中传输的信号是否在正常范围内。一旦EP 阶段处于空闲状态，即信道中传输的是正常周期型数据，则协调器在B 信标之后设置MAP1。使节点可以在MAP1 中周期性的发送其正常数据包而不发生冲突，并在任何传输之后hub节点接收各传感节点发来的ACK帧，节点在发送ACK 帧之后休眠，直至下一次传输开始。这里要注意的是，在MAP1 中为各个传感节点分配的时隙数量是不同的，这取决于各节点传输的数据大小和相应的数据速率。

3.1.2 B.节点竞争时的紧急模型

当传感节点感应到信道中有紧急信息时，节点会被唤醒并等待hub 节点发送信标用于定时同步，并通知相关节点EP的位置信息。节点通过接收信标与hub 节点同步，并在EP 中发送警报帧。报警帧是一个小数据包，由传感节点发送给协调器，以通知它网络中的紧急情况。但由于WBAN 中的医疗数据具有高度耦合性和相关性，即一个器官的生理异常能引起多个传感器同时向hub 节点发送紧急数据，那么在EP 中发生数据碰撞的可能性是很大的。因此在B 类模型中，为了考虑相关性和EP中可能的碰撞冲突，hub 在EP 中执行CCA（空闲信道评估），如果发现信道繁忙，hub 节点将在B 信标之后设置一个较短的CAP（如图2B）。

3.1.3 C.紧急信号在前一个超帧发生冲突时的模型

紧急节点可以通过CSMA/CA 的机制在CAP周期中发送警报帧，hub 节点在CAP 之后设置MAP2，hub节点将MAP2中的时隙用于在CAP周期中发送警报帧的紧急节点的数据传输，从而相应地减少了非活动周期的持续时间。并且在MAP1和MAP2中的接入方式都是基于TDMA 接入，这样紧急节点可以在MAP2 分配的时隙中无冲突的发送其紧急数据包（如图2C）。协调器在MAP2 之后设置MAP1部分，用于基于传感节点传输其正常的周期型数据。需要注意的是本文设置的超帧中MAP1 和MAP2 与IEEE802.15.6 超帧中的MAP1 和MAP2 虽然都是传输周期型数据且都使用基于TDMA 的调制方式，但是所代表含义却有所不同。

如以上内容所述，为了进一步考虑在紧急情况下可能导致的EP中发生碰撞的医疗信号之间的相关性，hub 在EP 中执行CCA，并在紧急情况下设置CAP。通过上述方法，将它与只考虑一个报警时隙的其他MAC 协议相比，可以使紧急节点更可靠地传输其报警帧和紧急数据。另外，虽然报警帧在CAP 周期中也可能遭遇冲突，但其在MAP2 中紧急数据包在传输过程中是没有冲突的。这可以提高紧急节点的传输效率和减少传输时间。如果警报帧在CAP 中传输时，hub 节点可设置较小的持续时间作为CAP 周期，从而可以减小超帧的长度，并且较小的超帧结构可以支持更多的数据速率。在紧急情况下，节点可以获得更多的时隙。因此紧急数据传输与警报帧传输分离可以提高系统数据速率方面的性能。

3.2 优先级设置机制

为了更好地考虑医疗信号之间的相关性，可以引入相应的优先级设置机制。将WBAN 中的传感节点划分为不同的等级，在IEEE802.15.6中将节点分为0~7 级，在本文中可以将节点优先级分为两级，其中周期性数据设置为0级（对应WBAN中0~4级），而突发性紧急数据设置为1 级（对应WBAN 中的5~7级）。在1级节点中，也要区分哪些节点比其他节点更重要，因此它将优先给hub 发送报警信号。这种分类是由节点的数据大小，数据速率以及相应的采集信息侧重决定的。比如对于糖尿病患者来说，血糖信号比ECG 心电信号重要，因此血糖应该优先于ECG。为了实现这种优先级，我们可以给紧急节点设置更小的CW（竞争窗口）并减小紧急节点CW（竞争窗口）增加的次数，来进一步提高其获得时隙的概率。

3.3 区别与优势

与IEEE802.15.6的区别：1）因为CAP的持续时间较短，且突发的紧急节点及其数据是有限的，即节点在发送报警帧之前只需在CAP和EP中执行一次CCA。2）对于警报帧而言尝试传输次数没有限制，即警报帧在CAP中竞争信道直至发送成功。并且需要注意的是，在CAP 中hub 节点不接收ACK帧，因此各节点必须等待信标查明其发送的报警帧传输成功或者失败。注明：如果查明B 中没有为相应紧急节点分配的时隙，则该节点将会在第一轮数据传输之后在EP 中发送另一个报警帧，使其在下一个超帧中传输信息。

与IEEE802.15.6 协议相比，本MAC 协议的优点有：1）充分考虑在紧急传输业务下医疗信号之间的相关性，如果忽略了这一现象将会导致紧急节点在传输时会发生严重碰撞，从而使无线体域网传输效率大大降低。2）将报警帧与相应的紧急数据传输业务分离，可以提高紧急节点数据的传输效率。同时根据相应的网络情况设置超帧不同接入期长度，更有效地利用了信道，并提高了节点的传输数据速率。

4 仿真结果

4.1 数学分析

在此阶段，本文将计算所提出MAC 协议的平均传输延迟和功耗水平，并与IEEE802.15.6 MAC协议进行比较。

表1 包含了一个时隙期间收发器不同状态的平均功耗。

表1 不同状态下的各个阶段功耗水平

不同状态下的平均功耗计算如下：

发送状态功耗：P_tx=42（mW）×T_tx；接收状态功耗：P_rx=32（mW）×T_rx；空闲状态功耗：P_idle=0.8（mW）×T_idle；CCA（空闲信道评估）功耗：P_CCA=10（mW）×n_CCA；（n_CCA：执行CCA 的次数）；睡眠状态功耗：P_sleep=0.18（μW）×T_sleep。

不同状态下总的平均传输延迟Dean_total计算如下：

T_ei为紧急数据包的间隔到达时间；S为时隙数量；P(zs)为在时隙S中成功传输结束的概率；Ps为成功传输的概率；P(zc)：在时隙C中成功传输结束的概率；wj为退避阶段j中补偿范围的最大值；NBmax为最大退避次数。tMAX为可能新增加的时隙。

4.2 仿真结果

图4 和图5 中分别显示了与IEEE802.15.6 相比，所提出的BT-MAC协议在紧急情况下的紧急数据平均传输延迟和不同紧急节点数的平均功耗。实验结果表明，随着紧急节点数的增多，两种协议的紧急数据的平均传输延迟和不同节点数量的平均功耗都会相应增大，但由于BT-MAC协议充分考虑紧急传输业务时医疗信号之间的相关性，并且将报警帧与相应的紧急数据传输业务分离，同时根据相应的网络情况设置超帧中不同接入期长度，所以提高了紧急数据的传输效率，降低了紧急数据在信道中传输碰撞的几率，因此其平均传输延迟随着紧急节点的增多缓慢增加，而IEEE802.15.6则增加明显，且明显比BT-MAC 延迟大，并且其功耗也比IEEE802.15.6 标准低很多。因此，BT-MAC 在紧急情况下可以更好地提高紧急数据的传输效率并提高其传输可靠性，从而可以更好地节省能量。

图4 紧急数据平均传输延迟

图5 不同紧急节点数的平均功耗

5 结语

本文针对面向医疗应用的无线体域网中突发紧急业务传输，提出了一种MAC 协议（BT-MAC），该协议通过最小化竞争接入访问，减小数据包碰撞概率来降低节点的功耗，并根据网络的流量负载来分配节点时隙和不同接入期长度分配策略，从而提高了紧急节点信息的传输效率和WBAN 的能量有效性。同时，通过Matlab 仿真，证明了BT-MAC 与IEEE802.15.6 相比，其在紧急情况下的紧急数据平均传输延迟和不同紧急节点数的平均功耗更低，在紧急情况下的传输效率更高。因此，本文为无线体域网中基于突发紧急业务传输模型和能量有效性研究提供了一定的参考。