用于解决身体域网络介质访问控制协议的串音问题的技术

摘要

一种针对身体域网络（BAN）介质访问控制协议的串音问题的方法。该方法包括：生成前同步帧(S310);将目标接收者设备的目的地址编码为前同步帧的长度(S320)；以及传送该前同步帧(S330)。

说明书

本申请要求在2008年8月11日提交的美国临时专利申请No.61/087,744的权益。

本发明总的涉及在身体域网络(BAN)中利用的介质访问控制（MAC）协议，具体地，涉及用于解决在这样的协议中的串音（overhearing）问题的技术。

身体域网络（BAN）主要被设计用于持久地监视和记录生命指征。如图1所示的示范性BAN包括典型地为传感器的多个从设备120，它们可以是可佩戴的或可以被植入到人身体中。从设备120监视生命体参数和运动，并通过无线介质互相通信。从设备120可以把来自人体的数据传送到一个或更多个主设备130，数据可以从这里通过局域网（LAN）、广域网（WAN）、蜂窝网等等实时地转发到医院、诊所或其它地方。

在设计BAN时，重要因素之一是从设备120和/或主设备130的能量效率。通过使得接收者设备（即，接收数据的设备）在收听状态与睡眠状态之间最佳化地进行工作循环，可以达到高效率的能量消耗。当设备既不传送也不接收数据时，设备的无线电被关断，由此减少设备的能量消耗。工作循环是通过介质访问控制(MAC)协议而被执行的，目标是使得空闲收听和串音时间、过发射（over emitting）、数据传送的碰撞和控制开销最小化，这最终导致功率节省。

MAC工作循环技术包括同步和异步模式。在异步模式，发送者设备（即，在介质上传送数据的设备）和收听者设备（即，收听介质的设备）具有独立的睡眠和唤醒时间。因此不需要诸如信标那样的明显的同步机制。

前同步采样技术被广泛地使用于异步工作循环MAC协议，诸如WiseMAC、B-MAC和X-MAC等。WiseMAC在EI-Hoiydi等人的 “WiseMAC:An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks” 中进一步描述, 该文发表在the Proceedings of the Ninth IEEE Symposium on Computers and Communication, ISCC, 第244-251页, Alexandria, 埃及, 2004年6月。B-MAC在Polastre等人的“Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks”,ACM SenSys，2004年11月中被描述，以及X-MAC协议发表在Buettner等人的“X-MAC:A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks,” ACM SenSys， 2006。

如图2所例示的，在前同步采样技术中，所有的设备周期性地收听介质达时间“T_L”的短的持续时间,且如果介质是空闲的，则返回到睡眠状态达持续时间“T_CI”。在两个接连的收听时间T_L之间的时间T_CI是检验间隔。时间间隔T_CI和T_L的组合是唤醒时间间隔。当发送者设备有数据要递送时，它传送唤醒（WUP）消息(前同步)210，这个唤醒消息比接收者设备的检验时间间隔T_CI要长。在前同步采样技术中，WUP消息210仅仅承载前同步，而不承载任何其它信息。当接收者设备醒来时，它侦听介质和检测WUP消息210。这迫使接收者设备保持醒着，直至数据被完全接收和/或介质再次变为空闲为止。

前同步采样可以由匹配滤波器接收机完成，该匹配滤波器接收机在接收的信号中寻找已知的前同步序列。前同步采样获益于已知的码元序列的处理增益和重复，使得能进行可靠的信号检测。

WUP消息210的长度必须比检验间隔T_CI更长，以保证在传送实际数据时接收者设备是醒着的。如果接收者设备的检验间隔T_CI是非常长的，则WUP消息传送可占用介质达持续很长的时间，由此阻止其它设备访问介质。前同步采样技术的另一个缺点在于，非目标的邻居设备串音听到该WUP消息210并保持为醒着直至数据传送开始为止。结果，网络中的设备的功率消耗增加。

为了解决串音问题，上面提及的X-MAC协议把目标设备的识别(ID)(即，目的地址)嵌入在WUP消息中。因此，非目标相邻设备可以根据ID确定它们不是打算之中的设备，然后返回到睡眠状态。这个办法的问题在于，WUP信号包含事先不知道的数据比特(即，目的地址)。所以，接收机必须解调WUP信号并译码信息以恢复目的地址。解调过程比起前同步检测技术更复杂并且消耗更多的能量。在前同步检测技术中，接收者设备在接收的信号中搜索已知的码元序列。

用于减小功耗的另一个技术是：在设备中包括两个分开的无线电，一个是低功率唤醒(待机)无线电，另一个是数据通信无线电。为了唤醒接收者设备，发送者设备传送足够强的信号(“WUP信号”)。WUP信号的功率高于预定义的阈值。当唤醒无线电接收到WUP信号时，它接通它的数据通信无线电，从而使得发送者和接收者设备能够通信。唤醒无线电可以通过使用比起前同步检测技术更简单的和能量上更有效的能量检测技术而被实施。然而，这种能量检测技术也遭受到串音问题，其中相邻的非目标设备因并非被定向到它们的WUP信号而进行接收和醒来。因此，当发送者设备传送WUP信号时，虽然该信号是仅仅打算给一个设备的，但有可能所有的相邻设备同时醒来，由此浪费了能量。

所以，提供用于解决在BAN MAC协议中的串音问题的解决方案是有利的。

本发明的某些实施例包括一种方法，其包括：生成前同步帧；将目标接收者设备的目的地址编码为前同步帧的长度；以及传送该前同步帧。

本发明的某些实施例还包括一种方法，其包括：生成唤醒信号；将目标接收者设备的目的地址编码为唤醒信号的持续时间；以及传送该唤醒信号。

被认作为本发明的主题在说明书的结论处在权利要求中被具体地指出且明确地被要求保护。从结合附图作出的以下的详细说明中，本发明的上述的和其它的特征和优点将是明显的。

图1是身体域无线网的示意图。

图2是用于图示前同步采样工作循环技术的运行的图。

图3是用于描绘按照本发明的一个实施例实现的、针对BAN MAC协议的串音问题的方法的流程图。

图4是用于图示按照本发明的一个实施例实现的多级别编码方法的图。

重要的是要指出，本发明公开的实施例仅仅是这里的创新教导的许多有利的使用的例子。通常，在本申请的说明书中做出的叙述并不必然限制任何的各种不同的要求保护的发明。而且，某些叙述可以应用到某些创造性特征，但不应用于其它特征。通常，除非另外指明，否则不失一般性地，单数的单元可以是复数的，且反之亦然。在附图上，在几幅视图内同样的数字是指同样的部件。

按照本发明的示范性实施例，将目标设备的目的地址编码为WUP消息(即，前同步帧)的尺寸或长度。按照帧的长度或尺寸，接收者设备不用解调整个帧就可以确定它是否是该WUP消息的目标。不用调用解调过程，就能确定WUP消息的目的地，由此减小接收者设备的功耗。

按照另一个示范性实施例，将目标设备的目的地址编码为应当传送WUP信号的持续时间，使得具有唤醒无线电的设备能够仅仅在数据被定向到它们时才接通它们的数据通信无线电。

图3显示用于描绘按照本发明的一个实施例实现的、针对BAN MAC协议的串音问题的方法的非限制性和示范性的流程图300。该方法由充当接收者设备和发送者设备的至少两个不同的设备执行。应意识到，这些功能由每个设备根据该设备是需要发送数据还是需要接收数据而执行。在一个实施例中，该方法作为以上讨论的利用前同步采样技术的BAN MAC协议的组成部分被实施。

在S310，发送者设备生成前同步帧（或WUP消息）。发送者设备可以接收来自更高层（例如，应用层）的指令而生成这样的帧。在S320，将目标接收者设备的目的地址编码为前同步帧的长度。在本发明的一个实施例中，前同步帧的长度被确定为如下：

Frame_length(x)=Minimum_length + x;    (1)

其中‘x’是以十进制表示的、目标接收者设备的MAC/网络地址。Minimum_length是接收机可以可靠地检测的最小长度帧。Minimum_length是固定值，它是所有的设备已知的。

例如，如果Minimum_length是1个单位以及目的地的MAC地址是0100(二进制的0100是十进制的4)，则Frame_length是5个单位。同样地，MAC地址0111可被编码为8个单位长度的帧。

按照本发明的另一个实施例，用来把大数据值转换成小数据的散列函数被使用来从长地址得出较短的地址。例如，被提供以64比特地址作为输入关键字的散列函数可以产生8比特输出地址。因此，Frame_length的最大长度可以被限制。

按照这个实施例，前同步帧的长度被确定为如下：

Frame_length(x)=Minimum_length + Hash₁(x);    (2)

其中‘x’是目标接收者设备的MAC或网络地址，以及Hash₁是散列函数。所有的设备为这一目的使用相同的散列函数。应当指出，特殊的控制帧，诸如广播帧，可被编码成固定的已知尺寸。

在本发明的另一个实施例中，前同步帧可以承载帧开始定界符和帧结束定界符，以及在这些定界符之间的时间的长度可以代表目的地址。

在S330,编码的前同步帧由发送者设备通过无线介质进行传送。在某些实施例中，由多个发射机在相同的信道上传送的前同步帧在时间上可能重叠。为了减轻这个影响，发送者设备收听它打算占用的信道，并且仅仅在发现该信道空闲达一个随机的持续时间时才发起传送。

通常，BAN设备的无线电部件能够在被划分成逻辑信道的频带范围内运行。为了使得帧重叠的机会最小化和提高可缩放性，本发明的另一个实施例根据打算之中的接收者的MAC或网络地址如下地选择用于传送的频率信道(Frame_TX_Channel)：

Frame_TX_Channel(x)= Hash₂(x);    (3)

其中‘x’是目标接收者设备的MAC或网络地址，以及Hash₂是散列函数。例如，如果无线电能够在16个逻辑信道的任一个上运行以及MAC地址是64比特长，则Hash₂函数把目标接收者的64比特的MAC地址映射到范围从0到15的4比特逻辑信道ID。作为例子，函数Hash₂可以是：Hash₂(x)=x模16。

在网络中的每个设备被配置以对应于它的MAC地址的前同步帧的长度和逻辑信道ID。在S340，接收者设备醒来，侦听介质，并检测被编码的前同步帧。在一个实施例中，当接收者醒来时，它把它的无线电调谐到通过使用例如方程式(3)而选择的逻辑信道。在S350，通过比较帧的长度和代表它的MAC地址的长度而确定所述帧是否打算给该接收者设备。如果帧是特殊的控制帧，则该设备检验帧的长度是否对应于固定的已知长度帧。如果S350导致“是”的回答，则在S360，接收者设备停留在活动状态，并开始接收数据；否则，在S370，该设备返回到睡眠状态，不接收帧的其余部分。例如，如果设备预期接收的最长长度帧是3ms长，则当该设备醒来并接收到具有大于3ms的长度的前同步帧时，该设备得出结论：该帧并未被寻址到该设备，然后该设备可以回到睡眠，而不等待去接收该帧的其余部分，由此节省了功率。

在本发明的一个实施例中，以上的技术也可以被应用到数据帧。数据帧的前同步长度或尺寸可以根据以上的教导而被确定。因此，从前同步的尺寸，接收者可以确定它是否为目标接收者。如果接收者设备得出结论：它确实是目标接收者，则该设备可以开始去解调数据帧。由于前同步采样过程比起解调过程在能量上是更有效的，所以可以节省大量能量。

按照本发明的另一个实施例，这里公开的教导可以在利用唤醒无线电技术的BAN MAC协议中被实施。按照这个实施例，WUP信号被编码成使得信号被传送的持续时间对应于目标接收者设备的MAC地址。编码函数可以按照以上的方程式(1)或(2)被定义。按照本发明的另一个实施例，发射机可以在按照以上的方程式(3)选择的信道上传送WUP信号。

接收者设备被配置以WUP信号的接收信道ID和接收时间，这里这二者都是基于它的MAC地址。例如，接收时间可以通过使用方程式(1)或(2)而被确定，以及接收信道ID可以通过使用方程式(3)而被确定。如果接收者设备在等于接收时间的持续时间内在接收信道上侦听到WUP信号(即，信号的功率电平大于预定义的阈值)，则该设备停留在活动状态，并接通它的数据通信无线电；否则，该设备返回到睡眠状态。应意识到，这个技术可以显著地减小具有单独的无线电的设备的功耗，因为当串音听到WUP信号时设备不接通它们的数据通信无线电。

本发明的某些实施例还包括用于编码除了目的地址以外的其它类型的信息的方法。例如，发送者设备的源地址也可以被编码在帧中。用来编码多个级别的信息的编码函数如下：

Frame_length(a,b)=Fixed_length(a) + Hash(b)    (4)

其中‘a’是帧类型，以及‘b’是编码的信息。如图4所示，每个帧具有两个部分。部分A是帧类型(例如，控制帧、数据帧、WUP帧等等)的函数，以及部分B是编码的信息的函数。应当指出，不同帧类型的帧长度是互相不相交（disjoint）的。在接收到帧时，接收者确定帧的长度L。例如：如果L∈[O,P]，则帧类型是1；如果L∈[Q,R]，则帧类型是2；以及如果L∈[S,T]，则帧类型是3。另外，通过译码部分B的长度，所编码的信息被恢复。参数O、P、S、T的值是先验已知的。

本发明的原理可以以硬件、软件、固件或它们的任意组合来实施。软件可以被实施为在程序存储单元或计算机可读介质上有形地体现的应用程序。该应用程序可以被上载到包括任何适当的体系结构的机器并由该机器执行，所述机器例如是具有诸如一个或更多个中央处理单元(“CPU”)、随机存取存储器(“RAM”)和输入/输出(“I/O”)接口那样的硬件的计算机平台。该计算机平台还可包括操作系统和微指令代码。这里描述的各种处理过程和功能可以是能由CPU执行的微指令代码的组成部分、或应用程序的组成部分、或它们的任意组合，而不管这样的计算机或处理器是否被明显地显示。还应当理解，因为在附图上描绘的某些作为整体的组成部分的系统部件和方法优选地以软件实施，所以在系统部件或处理功能块之间的实际连接可以取决于本发明被编程的方式而不同。在给定这里的教导后，相关领域的一个普通技术人员将能够设想出本发明的这些和类似的实现或配置。

这里详述的所有的例子和条件语言打算用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理和本发明人对于促进本技术所贡献的构思，并且要被解释为不限制于这样的明确详述的例子和条件。而且，这里详述本发明的原理、方面和实施例以及它们的特定例子的所有叙述打算包括它们的结构的和功能的等同物。另外，这样的等同打算包括当前已知的等同以及在将来逐渐形成的等同，即被逐渐形成来执行相同的功能而与结构无关的任何单元。