基于IEEE 802.15.6標準無線體域網(wǎng)的跨層重傳策略研究

王國棟　郭坤祺

摘要 由于受人體姿勢與動作影響，無線體域網(wǎng)傳感器節(jié)點與Hub節(jié)點通信會出現(xiàn)陰影效應，導致收發(fā)端數(shù)據(jù)傳輸失敗率高，數(shù)據(jù)幀重傳成功率低，同時多次數(shù)據(jù)重傳造成額外能量消耗。為了提高數(shù)據(jù)重傳成功率，減少網(wǎng)絡節(jié)點能量消耗，提出基于IEEE802.15.6標準的跨層重傳策略，通過分析失敗數(shù)據(jù)幀在物理層的信號特征，探究傳送失敗的原因，并設(shè)計MAC層重傳方案。實驗結(jié)果表明，與IEEE802.15.6標準相比，基于IEEE802.15.6的無線體域網(wǎng)跨層重傳策略幀重傳成功率更高，功率消耗更低，不僅可以提高數(shù)據(jù)幀重傳成功率，改善網(wǎng)絡失幀率，而且能夠延長無線體域網(wǎng)節(jié)點使用壽命。

關(guān)鍵詞 無線體域網(wǎng)；陰影效應；IEEE802.15.6；跨層重傳策略；MAC

DOIDOI：10.11907/rjdk.181081

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）009020003

英文標題An CrossLayer Retransmission Strategy for the Body Shadowing Affect in IEEE 802.15.6Based WBAN

--副標題

英文作者WANG Guodong， GUO Kunqi

英文作者單位（School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China）

英文摘要Abstract：Due to the influence of human body posture and movement，the shadowing effect occurs between the sensor nodes and the Hub node in the wireless body area network，resulting in high failure rate of data transmission between the sender and the receiver and low successful probability of frame retransmission；meanwhile，multiple data retransmissions cause extra energy consumption.In order to solve the problems， a crosslayer retransmission strategy based on the IEEE802.15.6 standard is proposed.According to the signal characteristics of failed data frames at the physical layer，the reasons for the transmission failure are analyzed and the allocation of retransmission is designed at MAC.The experimental results show that the crosslayer retransmission strategy has higher success rate of frame retransmission and lower power consumption than the IEEE802.15.6 standard.Therefore，the crosslayer retransmission strategy based on IEEE802.15.6 can not only improve the success rate of data frame retransmission，and loss rate of the network，but also prolong the working time of nodes in the wireless body area network.

英文關(guān)鍵詞Key Words：wireless body area network；shadowing affect；IEEE 802.15.6；crosslayer retransmission strategy；MAC

0引言

無線體域網(wǎng)（wireless body area network，WBAN）是一種以人體為中心的小型網(wǎng)絡[1]，利用分布在人體體表或植入體內(nèi)的無線傳感器監(jiān)測并提取人體生理信息（如體溫、血壓、心率、血氧濃度等），通過無線信道將收集的生理參數(shù)發(fā)送至網(wǎng)絡Hub節(jié)點[2]。Hub節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)與終端服務器通信[3]，幫助醫(yī)院與家屬對被監(jiān)護者進行實時監(jiān)測[4]。

對于無線體域網(wǎng)節(jié)能策略的研究主要集中在物理層、MAC層與網(wǎng)絡層。Verbiest等[5]設(shè)計的微型化、低成本印制單極天線在體表通信中有較好的節(jié)能表現(xiàn)，但天線的工作頻率、發(fā)射效率及帶寬易受人體干擾。CA-MAC協(xié)議[6]是一種情景感知協(xié)議，使用超幀混合結(jié)構(gòu)，通過信道感知進行訪問策略分配，通過流量感知進行時隙分配。時隙分配使后面節(jié)點需要等待前面節(jié)點的傳輸完成，易產(chǎn)生緩存溢出現(xiàn)象。

在WBAN中，節(jié)點發(fā)送端與接收端之間信號傳輸會受到人體姿勢或行動影響產(chǎn)生人體陰影效應，導致節(jié)點間通信失敗[7]。陰影效應是指信號在無線通信傳輸過程中受到建筑物或其它物體對電波傳輸路徑的阻擋，在傳播接收區(qū)域形成半盲區(qū)，引起電磁陰影[8]。人體陰影會造成顯著信號衰減，使接收端無法正確識別幀信號，影響重傳成功率，造成額外能量消耗[9]。

IEEE802.15.6標準是2012年IEEE組織針對體域網(wǎng)制定的無線接入標準[10]。為降低人體陰影對WBAN信號傳輸?shù)挠绊懀疚奶岢鲆环N基于IEEE802.15.6標準的針對人體陰影情況下的跨層重傳策略（crosslayer retransmission strategy，CLRS）。在WNAN通信中，當發(fā)生數(shù)據(jù)幀接收失敗情況，接收端根據(jù)數(shù)據(jù)幀在物理層（PHY）的信號特征，分析接收失敗的原因，并依據(jù)分析結(jié)果在MAC層對失敗幀進行重傳分配。在CLRS中，數(shù)據(jù)幀若是因競爭失敗導致通信失敗，則在競爭階段重新競爭訪問；若因人體陰影導致傳輸失敗，則該數(shù)據(jù)幀重傳過程暫停，等信道穩(wěn)定后，Hub重新分配重傳資源。實驗結(jié)果表明，該算法策略可以改善網(wǎng)絡失幀率，降低網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀平均傳輸時間，并能減少能量消耗，延長網(wǎng)絡使用壽命。

1IEEE802.15.6標準

IEEE 802委員會針對無線體域網(wǎng)短距離、低復雜度、低功率和高可靠的要求，于2012年發(fā)布了專門用于無線體域網(wǎng)的IEEE802.15.6通信標準，其主要內(nèi)容規(guī)定了無線體域網(wǎng)的物理層和MAC層基本結(jié)構(gòu)[11]，網(wǎng)絡加密認證和安全方面的實現(xiàn)方式；同時，該標準定義了網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)為1跳星型拓撲和2跳擴展星型拓撲[12]。

IEEE 802.15.6標準中將物理信道劃分為長度相等的超幀結(jié)構(gòu)，超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。

超幀結(jié)構(gòu)由信標幀（B、B2）、專門接入階段（EAP1、EAP2）、隨機接入階段（RAP1、RAP2）、管理接入階段（MAP）和競爭接入階段（CAP）組成。信標幀包含時間同步、系統(tǒng)配置等內(nèi)容信息，由Hub節(jié)點向各傳感器節(jié)點廣播發(fā)送。B2與B擁有相同功能與信息容量，因此本文僅考慮使用B。在超幀中，各類接入階段出現(xiàn)順序固定，但每個接入階段持續(xù)時間可變，持續(xù)時間為零亦可[13]。EAP主要用于高優(yōu)先級或緊急信息的傳輸，RAP與CAP用于一般信息傳輸[14]。在EAP，RAP與CAP中使用競爭機制進行數(shù)據(jù)通信，在MAP中使用時隙分配機制進行數(shù)據(jù)通信。本文使用包含B、EAP、RAP、MAP的超幀結(jié)構(gòu)。

2跨層重傳策略

2.1超幀結(jié)構(gòu)

在無線體域網(wǎng)中，首先由Hub節(jié)點廣播發(fā)送信標控制幀至各傳感器節(jié)點，控制幀中包含系統(tǒng)配置與時間同步等信息[15]。傳感器節(jié)點接收并保存Hub發(fā)送的控制幀，再根據(jù)控制幀中的配置進行本節(jié)點資源分配。超幀根據(jù)結(jié)構(gòu)不同分為4類，如圖2所示，C、D模型相對于A、B模型來說，在EAP前面插入了MAP；B、D模型相對于A、D模型來說，在后面增加了MAP1。

在超幀模型中，EAP、RAP階段使用基于競爭的CSMA/CA機制進行數(shù)據(jù)通信，回退窗口大小與數(shù)據(jù)信息優(yōu)先級相關(guān)，高優(yōu)先級擁有更低的回退值[16]。在MAP中使用TDMA機制進行數(shù)據(jù)通信，每個節(jié)點在其特定的時間間隙中訪問信道、傳輸數(shù)據(jù)。如果在MAP階段發(fā)送失敗，那么該幀信息在EAP、RAP部分進行重傳。

IEEE 802.15.6中失敗的幀被安排到下一超幀的MAP階段重傳，占用其它節(jié)點傳輸資源，且因較長的傳輸延遲增加了失幀率[17]，跨層重傳策略的B、D模式可以增強幀傳輸?shù)某晒β什⑶医档蛡鬏敃r延。B、D模型在RAP后面增加了MAP1，能避免高優(yōu)先級幀侵占傳輸資源、餓死低優(yōu)先級幀的現(xiàn)象，低優(yōu)先級幀在MAP1階段使用TDMA訪問信道，可增加傳輸成功率，降低傳輸失敗率。

2.2重傳機制

人體陰影會造成數(shù)據(jù)發(fā)送一連串的錯誤，數(shù)據(jù)接收失敗概率上升，需要對失敗的數(shù)據(jù)幀進行重傳，消耗額外能量。IEEE802.15.6 標準使用隨機回退策略，無法有效解決人體陰影帶來的問題。

在WBAN通信中，接收端無法成功接收數(shù)據(jù)信號有兩種原因造成，一種是沖突，另一種是人體陰影效應。人體陰影效應與數(shù)據(jù)碰撞都會產(chǎn)生不穩(wěn)定的重疊信號，導致數(shù)據(jù)通信失敗。不同失敗原因會有不同信號強度。陰影效應持續(xù)時間遠超數(shù)據(jù)傳輸時間，所導致的不穩(wěn)定波形會持續(xù)更長時間。數(shù)據(jù)碰撞是因為多個節(jié)點有相同的回退數(shù)，在相同時間同時發(fā)送數(shù)據(jù)給接收端。傳輸碰撞造成的信號重疊現(xiàn)象，發(fā)生于信息幀的通信起止時間內(nèi)。對于在傳輸碰撞情況下的接收失敗，因傳感器分布各自不同，到Hub節(jié)點的距離不一，導致產(chǎn)生不同的時延，在接收端輸出波形上會出現(xiàn)一小段時間的平穩(wěn)波形。

根據(jù)在通信失敗情況下數(shù)據(jù)信號物理層特點，可判斷導致通信失敗的具體原因，并在MAC采取不同的重傳策略。對于碰撞產(chǎn)生的數(shù)據(jù)接收失敗，判斷當前時刻處在超幀中的時期，并根據(jù)超幀模型分配重傳資源。若在MAP階段傳輸失敗，將在后面的競爭時段重傳數(shù)據(jù)；若在EAP階段或者RAP階段傳輸失敗，將重新競爭并重傳數(shù)據(jù)。人體陰影產(chǎn)生概率為10%，持續(xù)時間約為80ms[18]。對于人體陰影導致的通信失敗，由Hub節(jié)點告知數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點暫停數(shù)據(jù)重傳，等待陰影效應結(jié)束再進行數(shù)據(jù)重傳。

3算法仿真

3.1資源分配

在本文的仿真實驗中，超幀持續(xù)時間是125ms，分配的超幀時隙數(shù)是5 000。對于不同的超幀模型，各階段分配資源不同[1920]。

在4類超幀模型中，MAP階段使用基于時間分配的TDMA機制通信，根據(jù)請求通信的節(jié)點數(shù)目進行時隙數(shù)量分配。剩余資源分配給EAP與RAP，這兩個階段采用競爭機制，EAP的時隙分配為：

NslotEAP=nE+2*SIFS+BOavg*TCSMAslot+2*max（TEdata1，TEdata2，...TEdatanE）+∑nEi=1TEdataiTSF_slot（1）

其中，nE為節(jié)點數(shù)量，BOavg為回退數(shù)平均值，TCSMA為回退時隙時間，TEdata為數(shù)據(jù)傳輸時間，TSF為超幀時間值。在RAP階段，協(xié)調(diào)器須保留滿足RAP最短傳輸時間的資源，傳感器節(jié)點在RAP階段發(fā)送請求資源到Hub節(jié)點。最短傳輸時間包括SIFS、競爭窗口最大回退時間、請求幀傳輸時間、及資源分配幀的傳輸時間，計算公式為：

NslotRAP_min=[SIFS+CWmax*TCSMA_slot+Tconnect_request+Tconnect_assignTSF_slot]（2）

CWmax為競爭窗口最大回退時間，Tconnect_request為請求幀傳輸時間，Tconnect_assign為資源分配幀傳輸時間。在滿足最小分配的基礎(chǔ)上，將EAP分配后的剩余資源分配給RAP。

不同節(jié)點的數(shù)據(jù)幀長度不同，每個數(shù)據(jù)幀傳輸速率為125ms，節(jié)點采用的參數(shù)[21]如表1所示。

3.2仿真結(jié)果

本文使用的分析度量標準之一是系統(tǒng)數(shù)據(jù)幀的平均傳輸時間。其中平均傳輸時間由Tavg表示，定義是所有子周期數(shù)據(jù)幀傳輸時間總和與超幀中傳輸幀數(shù)量和之比，計算公式如式（3）所示。

TxAVG=TxMAP+TxEAP+TxRAP+TxMAP1NFrame（3）

CLRS與IEEE 802.15.6的各節(jié)點幀平均傳輸時間仿真結(jié)果如圖3所示。

從實驗結(jié)果可見相比于IEEE 802.15.6標準，CLRS的幀平均傳輸時間更短。CLRS會區(qū)分通信失敗的原因，當信號碰撞導致失敗，Hub節(jié)點會分配資源進行重傳；當遇到人體陰影效應導致失敗，CLRS會暫停重傳程序，等待信道狀態(tài)恢復。IEEE 802.15.6則持續(xù)重傳，增加了額外的幀傳輸。因此，CLRS可以改善WBAN重傳效率。

在WBAN中，功率消耗是一個很重要的考量，CLRS的不同節(jié)點功率消耗如圖4所示，此處功率消耗是指每個節(jié)點成功傳輸一個數(shù)據(jù)幀消耗的能量值。從實驗結(jié)果可以看出，CLRS功率消耗比IEEE 802.15.6更低，因此，CLRS針對陰影情況下的數(shù)據(jù)通信可以更有效地節(jié)省能量。

4結(jié)語

本文針對WBAN中因為人體陰影效應與數(shù)據(jù)碰撞產(chǎn)生的通信失敗，提出了跨層重傳策略。在WBAN接收端，對于通信失敗數(shù)據(jù)幀，利用數(shù)據(jù)幀在物理層信號特點，分析通信失敗原因，在MAC層采用不同策略重傳失敗的數(shù)據(jù)幀。實驗結(jié)果表明，針對出現(xiàn)人體陰影效應的WBAN，CLRS相對于IEEE 802.15.6標準，提高了失敗幀的重傳效率，在數(shù)據(jù)幀平均傳輸時間與節(jié)點功率消耗上有更好表現(xiàn)。本文為無線體域網(wǎng)能量優(yōu)化研究提供了一定參考。

參考文獻參考文獻：

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