李承曉，黃華偉，龐宇，孫文珺，王薔薇

（重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶，400065）

引言

BAN是一種持續(xù)檢測和記錄人體健康信息的基本技術(shù)，具有檢測慢性病患者健康狀況的有效方法。各傳感器按規(guī)定的時(shí)序把獲得的人體健康數(shù)據(jù)（如血壓、體溫、心率、心電圖、脈搏、腦電圖、肌電圖、姿勢變化等）從人體傳到協(xié)調(diào)器，匯集后送到具有協(xié)調(diào)、處理等功能的專用或者智能終端，再由智能終端通過移動(dòng)服務(wù)或互聯(lián)網(wǎng)把數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳到醫(yī)院、診所或其他地方[1]。MAC（Media Access Control）協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)重要支撐技術(shù)，尋找一種合適MAC訪問接入機(jī)制對減少網(wǎng)絡(luò)能耗，提高網(wǎng)絡(luò)效率有不可或缺的作用。

在傳統(tǒng)的幾種接入機(jī)制中，通過在總線型信道上建立Aloha、S-aloha、1-堅(jiān)持的CSMA模型，來分析三種協(xié)議的共享信道訪問機(jī)制，通過仿真結(jié)果確定出適用于所提出的新型超幀結(jié)構(gòu)中競爭階段的接入機(jī)制。在此機(jī)制下，通過改變節(jié)點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)、信道碼率等參數(shù)分析各個(gè)因素對整體網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

本文首先對三種傳統(tǒng)的信道接入機(jī)制進(jìn)行仿真分析。隨后對IEEE802.15.6協(xié)議中的超幀結(jié)構(gòu)作一介紹并在此基礎(chǔ)上提出一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級（緊急業(yè)務(wù)、按需業(yè)務(wù)、普通業(yè)務(wù)）的新型超幀結(jié)構(gòu)，在超幀的三種競爭階段中運(yùn)用S-aloha機(jī)制接入，通過在不同的階段接入不同的業(yè)務(wù)，能有效的提高數(shù)據(jù)傳輸率和網(wǎng)絡(luò)延遲。最后對本文做出進(jìn)一步展望。

1 通用網(wǎng)絡(luò)中典型接入機(jī)制分析

在通用網(wǎng)絡(luò)中，MAC協(xié)議是保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的重要技術(shù)，它位于物理層的上層，接近網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的底層，控制著數(shù)據(jù)的傳輸接收，為相互競爭的傳感器節(jié)點(diǎn)分配信道資源，其主要作用是保證公平和有效的資源共享[2]。這里所討論的是三種典型的具有競爭的信道接入方式Aloha、S-aloha和CSMA。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)必須通過競爭無線資源完成通信，如果同時(shí)有兩個(gè)及兩個(gè)以上節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)則會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)包碰撞。

在Aloha接入機(jī)制下，節(jié)點(diǎn)可以在任何時(shí)候發(fā)送數(shù)據(jù)且接收端需向發(fā)送端返回一個(gè)確認(rèn)幀（ACK），如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送端未接收到接收端返回的ACK，則通信失敗需重新發(fā)送，直到收到ACK為止。時(shí)隙Aloha在純Aloha機(jī)制的基礎(chǔ)上把信道時(shí)間分成離散的時(shí)間槽，槽長為一個(gè)幀所需的發(fā)送時(shí)間。每個(gè)站點(diǎn)只能在時(shí)槽開始時(shí)才允許發(fā)送。其他過程與純Aloha協(xié)議相同。在CSMA中，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前會(huì)先偵聽信道是否空閑，如果空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。為了直觀的看到在這三種接入機(jī)制對網(wǎng)絡(luò)吞吐量的影響，我們用opnet軟件對其建模并仿真。

OPNET采用分層建模機(jī)制，分別為進(jìn)程模型以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；節(jié)點(diǎn)模型由協(xié)議模型構(gòu)成，反應(yīng)設(shè)備性能；網(wǎng)絡(luò)模型表現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了利于比較純Aloha和CSMA接入機(jī)制，故采用相同的頂層網(wǎng)絡(luò)模型—45個(gè)發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)模型、一個(gè)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)模型、一條總線型的鏈路。其中發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)模型和數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)程模型如圖1、圖2所示。

通過編譯得出網(wǎng)絡(luò)吞吐量與信道流量的仿真波形圖。采用相同的建模步驟可以同樣得出通用時(shí)隙Aloha機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)吞吐量的變化曲線圖，如圖3所示。

通過編譯可以看到，三種接入機(jī)制的仿真曲線圖隨著信道流量的增加，網(wǎng)絡(luò)吞吐量也相應(yīng)上升，當(dāng)達(dá)到極值以后，由于競爭沖突加劇，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量急劇下降。通過比較可以發(fā)現(xiàn)，在相同信道流量的情況下CSMA的網(wǎng)絡(luò)吞吐量是優(yōu)于純Aloha、時(shí)隙Aloha接入機(jī)制的。但出于節(jié)點(diǎn)功率方面的考慮，故在后續(xù)超幀結(jié)構(gòu)中選用時(shí)隙Aloha接入機(jī)制。

圖1發(fā)射機(jī)節(jié)點(diǎn)模型Fig1Transmitter node model

圖2CSMA數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)程模型Fig2Data processing module of CSMA process model

圖3Aloha和CSMA仿真曲線圖Fig3Simulation graph

圖4時(shí)隙aloha仿真曲線圖Fig4Simulation graph

2 適用于人體局域網(wǎng)的接入機(jī)制

IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中，把整個(gè)信道分為超幀結(jié)構(gòu),如圖5所示。協(xié)議中規(guī)定了在獨(dú)占訪問階段、隨機(jī)接入階段、競爭訪問階段只能采用S-Aloha和CSMA接入機(jī)制。

圖5超幀結(jié)構(gòu)Fig5superframe structure

Slotted Aloha兩種信道訪問協(xié)議的使用由pRandomAccess的值來決定。針對不同用戶的優(yōu)先級需提前定義優(yōu)先訪問信道用到的參數(shù)值，如下表1所示：

表1參數(shù)設(shè)置表

在該機(jī)制下，競爭概率CP用來衡量節(jié)點(diǎn)通過Slotted Aloha機(jī)制能否獲得新的時(shí)隙分配；圖6表明了基于Slotted Aloha機(jī)制如何開始和使用競爭分配[4]。為了利用時(shí)隙分配發(fā)送或重發(fā)各種類型的幀，競爭概率CP的取值如圖6所示。

1) CP=CPmax [UP]，有兩種情況：

a) 節(jié)點(diǎn)沒有獲得任何可供發(fā)送數(shù)據(jù)包的競爭分配；

b) (b)節(jié)點(diǎn)在最近一次的競爭中成功獲得競爭分配，并按時(shí)收到最近傳輸數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)幀I-Ack或B-Ack。

圖6slotted aloha機(jī)制過程Fig6Slotted Aloha access illustration

2) CP保持不變，有兩種情況：

a) 節(jié)點(diǎn)在最近一次的競爭分配結(jié)束時(shí)不需要發(fā)送任何類型的確認(rèn)幀；

b) (b)節(jié)點(diǎn)連續(xù)奇數(shù)次獲得競爭分配失敗；即節(jié)點(diǎn)在最近一次的競爭中成功獲得競爭分配，并未按時(shí)收到最近傳輸數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)幀I-Ack或B-Ack。

3) 競爭概率CP減半，節(jié)點(diǎn)連續(xù)偶數(shù)次獲得競爭分配失??；

4) CP= CPmin[UP]，當(dāng)減半后的CP小于CPmin[UP]。

競爭概率CP的取值如上所述，當(dāng)[0,1]區(qū)間上的一個(gè)隨機(jī)數(shù)z小于等于CP時(shí)，節(jié)點(diǎn)將獲得由Slotted-Aloha機(jī)制劃分的競爭分配。每一個(gè)Aloha時(shí)隙的長度pAlohaSlotLength由具體數(shù)據(jù)包的大小和信道傳輸速率決定[5,6]。

節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得可用的Aloha時(shí)隙在RAP或CAP接入的起始階段，當(dāng)用戶優(yōu)先級UP<7(即非緊急醫(yī)療情況)，或是在EAP(exclusive access phase)、RAP(random acess phase)或CAP(contention access phase)起始階段之后當(dāng)UP=7(即緊急醫(yī)療情況)。當(dāng)Aloha時(shí)隙位于EAP、RAP或CAP接入階段，節(jié)點(diǎn)通過競爭獲得這些連續(xù)可用的時(shí)隙。

3 基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的超幀結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)BAN低功耗、高可靠性的要求以及適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸請求，本文根據(jù)IEEE15.6協(xié)議中提出的超幀結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步改進(jìn)，提出一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的超幀結(jié)構(gòu)。

圖7基于業(yè)務(wù)的超幀結(jié)構(gòu)Fig7Super-frame structure based business

由圖7可知，該超幀結(jié)構(gòu)由信標(biāo)周期、活躍期以及休眠期組成。中心節(jié)點(diǎn)Hub通過發(fā)送包含有幀同步信息的信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的同步。在活躍期內(nèi)，我們設(shè)置一個(gè)固定長度的時(shí)隙作為高優(yōu)先級業(yè)務(wù)即緊急業(yè)務(wù)的發(fā)送時(shí)隙，定義為HAP接入階段；緊隨著在信標(biāo)周期之后是競爭接入階段CAP，在該階段中，我們設(shè)置一部分長度的時(shí)隙為FAP階段，為前面提到的次優(yōu)先級按需類業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)信道訪問，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收；而CAP階段剩余的時(shí)隙則被普通業(yè)務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包占用，定義為SAP接入階段。

本文規(guī)定：為了保持信道訪問的高可靠性，F(xiàn)AP階段只占用一個(gè)時(shí)隙，并存在于每個(gè)超幀中；當(dāng)BAN的業(yè)務(wù)只有按需業(yè)務(wù)和普通業(yè)務(wù)時(shí)，按需業(yè)務(wù)利用FAP接入階段在信道上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，而當(dāng)BAN的業(yè)務(wù)不存在按需業(yè)務(wù)時(shí)，普通業(yè)務(wù)可以獲得FAP階段的使用權(quán)，這樣有效提高了信道利用率，并降低了時(shí)延。在競爭階段我們采用了Slotted Aloha接入機(jī)制，它能有效的減少碰撞、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

為了更好的驗(yàn)證所提出的基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的超幀結(jié)構(gòu)對于網(wǎng)絡(luò)性能的影響，我們基于opnet平臺在超幀結(jié)構(gòu)的FAP、SAP階段運(yùn)用S-ALOHA接入機(jī)制，通過改變節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、信道碼率、數(shù)據(jù)包大小等參數(shù)來驗(yàn)證此超幀結(jié)構(gòu)的可行性及網(wǎng)絡(luò)性能的變化趨勢。

（1）為了分析出在競爭階段時(shí)隙接入機(jī)制下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，數(shù)據(jù)包大小、信道傳輸率不變，修改節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別設(shè)置為30、60、90個(gè)。

圖8節(jié)點(diǎn)數(shù)目對網(wǎng)絡(luò)的影響Fig8The in fl uence of the number of nodes

通過仿真曲線圖可以得出：在其他條件相同的狀況下，節(jié)點(diǎn)數(shù)越少，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量所達(dá)到的極值越高，而后隨著信道流量的增大，吞吐量急劇下降最后趨近于零。且在G為1時(shí)，根據(jù)吞吐量公式：

此競爭階段吞吐量最優(yōu)極值點(diǎn)的數(shù)值與通用網(wǎng)絡(luò)中最大值Smax=0.368相符，說明在FAP、SAP階段運(yùn)用時(shí)隙接入的方式是可行的。

（2）802.15.6中規(guī)定節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離為2-10m，支持雙向傳輸[7]。故在節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)包大小一定的情況下，通過仿真得到傳輸速率對網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

表2參數(shù)設(shè)置表

圖9傳輸速率對網(wǎng)絡(luò)性能的影響Fig9Transmission rates Impact on network performance

通過曲線圖可以看到，當(dāng)數(shù)據(jù)包的大小等于或者小于信道碼率的傳輸速率的時(shí)候，BAN網(wǎng)絡(luò)的吞吐量是相同的；當(dāng)數(shù)據(jù)包大小大于信道碼率的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)的性能明顯下降。

4 總結(jié)語

本文主要研究在帶有信標(biāo)周期的超幀結(jié)構(gòu)中選取一種合適的接入機(jī)制適用于BAN網(wǎng)絡(luò)，使其在傳輸延遲，網(wǎng)絡(luò)吞吐量，能耗等各方面得到合理優(yōu)化。在原超幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種基于業(yè)務(wù)優(yōu)先級的超幀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)BAN低功耗、高可靠性的要求以及適應(yīng)不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸請求。為以后BAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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