无线体域网中延长网络生存时间的媒体接入控制方法

摘要

本发明公开了一种无线体域网中延长网络生存时间的媒体接入控制方法，主要解决当前无线体域网媒体接入控制研究中缺乏网络拓扑结构根据节点当前剩余能量自适应调整的问题。其实现步骤包括：在正常通信状态下，当某个节点检测到其当前剩余能量低于能量门限值时，立即向网络协调点请求中继；网络协调点使用中继选择超帧结构在全网中为中继请求节点选择中继；将网络拓扑结构由星型调整为树形；媒体接入控制层根据拓扑结构对下一跳超帧结构做出调整。本发明与当前无线体域网中延长网络生存时间的方法相比，能够在不增加额外中继节点的情况下实现网络拓扑结构地自适应调整，从而延长整个无线体域网的网络生存时间。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及媒体接入控制方法，具体地说是一种用于无线体 域网中的媒体接入控制方法，该方法在保证分组成功地接入信道的前提下，最大限度 地延长网络生存时间。

背景技术

无线体域网(WBAN，Wireless Body Area Network)是一种以人体为中心，由分 布在人身体上、衣物上、甚至身体内部的各个节点和个人终端组成的无线通信网络。 在近距离无线通信领域，虽然存在无线个域网WPAN技术，但体域网这一概念将近 距离无线通信技术进一步扩展到了部署在人体上和人体内的各类传感器之间的通信， 因此它的传输距离更短。WBAN的应用范围很广，从远程医疗监控，到人体计算交 互，教育以及娱乐等方面都有应用潜力，特别是由于WBAN可以在人体周围或者体 表甚至体内工作，它可以在不影响人们正常生活情况下把家庭医疗监控变得更加人性 化，也更加方便快捷。

无线体域网中传感器节点的电池能量有限，因此如何高效利用能量以延长传感器 节点的工作时间，进而使得整个网络的生存时间提高，成为无线体域网设计中的首要 目标。近些年许多学者在无线体域网的能量高效利用方面做了很多工作，在一定程度 上延长了网络的生存时间。

G.Fang and E.Dutkiewicz，BodyMAC：Energy efficient TDMA-based MAC protocol  for wireless body area networks，In Proc.of 20099th International Symposium on  Communications and Information Technologies(ISCIT 2009)，Incheon，South Korea，pp. 1455-1459提出一种基于时分多址TDMA的媒体接入控制MAC协议。具体方法为：它 将信道划分为周期性的TDMA超帧，每个TDMA超帧又划分为下行子帧和上行子帧两 部分。下行子帧用于协调点到终端节点的业务交互，上行子帧用于终端节点给协调点 发送数据。为了尽可能地让节点处于休眠状态及提高信道的利用率，上行子帧又被进 一步划分为竞争期CAP和非竞争期CFP。其中，CAP仅用于传输小的MAC分组，CFP 则按照传统的TDMA形式工作。这种方法简单而且有效地节省了传感器节点的能量， 但考虑到WBAN特殊的人体传输环境和网络特性，该方法仍存在以下两方面的不足：

1、该方法忽略了WBAN的业务多样性，例如，脑电图EEG、心电图ECG及体温、 血压等多种业务并存。不同业务在实际应用中具有不同的业务到达率和数据速率要 求。业务到达率及数据速率的不同必然会导致不同节点对能量的消耗速度产生巨大的 差异，如果对这些不同应用不加区分，都在TDMA超帧的CFP中分配相同的TDMA时 隙，必然会导致业务到达率和数据速率高的节点能量过早衰竭，而业务量少的节点的 时隙又大部分时间处于空闲状态，最终导致网络中节点的能量消耗率不均匀及整个网 络生存期的降低。因此无线体域网的协议设计中应该基于每个节点的能量消耗进行考 虑。特别是媒体接入控制MAC协议设计，为尽可能地延长每个节点生存时间，应对 不同节点的能量消耗予以差分对待。

2、WBAN中的无线设备是应用于人体周围的，而人体周围的路径损耗要比自由 空间传播情况下的损耗大的多，尤其是当通信双方的链路是非视距NLOS时，比如， 发射端位于人体的后背而接收端放置在人的前胸，即使发射功率很大这些节点间的直 接通信也不一定可行。因此，为了在节点间建立可靠的链路，无线体域网的协议设计 中还应该考虑多跳连接。

因此A.Ehyaie，M.Hashemi and P.Khadivi，Using relay network to increase lifetime  in wireless body area sensor networks，In Proc.of the 10th IEEE International Symposium  on a World of Wireless，Mobile and Multimedia Networks & Workshops(WoWMoM)，Kos， Greece，June 2009，pp.1-6提出在WBAN网络初始化之前引入额外的中继节点以帮助 终端节点转发数据分组给目的节点。中继节点的数目由人体的路径损耗因子和源节点 与目的节点之间的距离决定。通过中继节点的分组转发作用，显然该方法有效地提高 了传感器节点的能量消耗率进而延长了网络的生存时间。但是该方法没有考虑到因安 装额外中继节点带来的网络成本问题，而是假设中继节点的数目可以一直增加直到网 络中所有的节点都有一个视距LOS范围内的邻居节点为止。因此该方法并不适合实际 节点数目有限的无线体域网使用。此外该方法主要解决的是WBAN的路由问题，没有 涉及MAC层如何实现的问题。

国际标准化方面，为了加速WBAN的研究进展，2007年11月，IEEE 802.15工作组 正式建立了第6任务组TG6，致力于WBAN的物理层和媒体接入控制层的标准化工作。 目前该标准仍处于制定阶段。延长网络生存时间是IEEE 802.15.6标准需要实现的最重 要的性能指标之一。在现有已经公布的国际标准中，IEEE 802.15.4因为协议简单并被 广泛应用于现有短距离通信系统中，而且是最接近WBAN设计要求的一个作为低功耗 低速率近距离无线通信的世界标准，因此可以作为无线体域网实现技术的一种备选方 案。IEEE 802.15.4MAC层可以支持星型网和对等网两种拓扑结构，但是，IEEE 802.15.4标准中大部分的内容都是关于星型网的操作规范，关于对等网的工作过程标 准中的内容有限，例如：关于对等网下使用的多跳超帧结构，IEEE 802.15.4标准中只 提到普通协调点的媒体接入控制子层管理实体MLME要保证各普通协调点发出的超 帧outgoing superframe要在它收到的超帧incoming superframe非激活期内完成，标准未 涉及当对等网的同一子层中同时存在多个普通协调点时各普通协调点的outgoing superframe如何避免碰撞的问题。另外，由于超出标准范围，标准中不涉及网络在两 种不同拓扑结构之间切换时MAC如何协调工作的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述无线体域网研究内容中的不足，提出一种无线体域网 中延长网络生存时间的媒体接入控制方法，该方法通过提供IEEE 802.15.4MAC在不 同拓扑结构切换过程中的细节，实现在不增加额外中继节点的情况下网络拓扑结构地 自适应调整，从而最大化每个节点的能量利用率，进而延长整个网络的生存时间。

实现本发明目的的技术思路是：基于IEEE 802.15.4的多跳超帧结构，当网络中某 个正常通信状态下的节点检测到它当前剩余能量值低于网络规定的能量门限值时，网 络协调点通过修改下一个超帧的超帧结构来启动中继选择策略，以在全网中为检测到 剩余能量值低于门限值的节点选择一个合适的节点充当中继节点，实现网络拓扑结构 地自适应调整，节省该节点的发射功率，并延长整个网络的生存时间。其实现步骤如 下：

(1)中继请求过程：

(1a)正常通信状态下，网络中全部节点实时测量自己的剩余能量值，如果某个 节点i发现它测量的剩余能量值E_i低于网络规定的能量门限值E_t，且该节点正好存在 与网络协调点交互的帧，则该节点通过交互帧控制域中的预留位向网络协调点请求中 继，否则该节点将产生一个专门的中继请求帧向网络协调点请求中继；

(1b)网络协调点收到中继请求后向发送中继请求的节点回复确认帧，用于确认 接收；

(2)中继选择过程：

(2a)网络协调点在中继选择超帧开始时广播发送信标帧，该信标帧包括中继选 择超帧长度、中继寻找期长度、中继决策期长度和竞争期长度参数，网络中所有节点 接收信标帧，并将信标帧中包含的参数记录在本地缓存中；

(2b)中继请求节点在中继寻找期的对应时隙中以l级功率电平广播中继寻找帧， 此时网络中的其他节点打开自身的收发信机侦听中继寻找帧，若某个侦听到中继寻找 帧的节点设备类型是全功能设备，则该节点称为中继请求节点的l级邻居节点，若节 点在中继寻找期没有侦听到中继寻找帧或者侦听到中继寻找帧的节点设备类型是精 简功能设备，则该节点关闭自己的收发信机，在中继决策期休眠；

(2c)中继寻找期结束后，中继请求节点和l级邻居节点进入中继决策期，网络 协调点在中继决策期的第一个时隙广播发送通知帧，该通知帧用于网络协调点对网络 中的全功能设备节点进行排序，中继请求节点的l级邻居节点接收该通知帧并从中提 取自己在网络中的地址序列号，根据获取的地址序列号信息，每个l级邻居节点依次 在中继决策期的相应时隙中给网络协调点无碰撞地发送中继回复帧；

(2d)网络协调点收集所有的中继回复帧后，做出中继决策，并在中继决策期的 最后一个时隙广播中继决策帧，中继请求节点和l级邻居节点接收中继决策帧并记录 中继结果，若某个中继请求节点根据中继决策帧发现它以l级功率电平请求中继失败， 且该l值小于该节点与网络协调点直接通信时的功率电平级数l₁，则该中继请求节点 将l重新赋值为l+1后，转入步骤(1)，若中继请求节点的功率电平级数l的值增大 到l₁-1时，网络协调点仍未为它成功选到中继，则该中继请求节点放弃中继请求直接 和网络协调点通信；

(2e)中继决策期之后，所有节点和网络协调点进入中继选择超帧的剩余激活期 部分与非激活期部分，有业务需要和网络协调点交互的节点在中继选择超帧的剩余激 活期部分和网络协调点完成业务的交互，在非激活期部分，所有节点和网络协调点进 入休眠状态；

(2f)整个中继选择超帧结束后，网络拓扑结构在中继请求节点的支路由单跳变 为多跳，即整个网络拓扑由星型调整为树形结构；

(3)网络拓扑结构变化后，根据IEEE 802.15.4标准，媒体接入控制层自动使用 支持对等网的多跳超帧结构，从中继节点角度来看，该多跳超帧结构包含中继节点接 收到的超帧incoming superframe和中继节点作为普通协调点发出的超帧outgoing superframe，每种超帧结构仅用于协调点与它下一跳子节点之间的业务交互，至此整 个延长网络生存时间的媒体接入控制结束。

本发明具有如下优点：

(1)本发明中网络协调点在前一超帧中收到中继请求后由于在下一个超帧的信 标帧和竞争期之间增加中继寻找期和中继决策期，实现在本网中即可为中继请求节点 选择合适的中继节点，通过中继节点地自适应选择，网络拓扑结构由单跳变为多跳， 使得整个网络的生存时间得到提高，且无需外加中继设备；

(2)本发明中由于中继寻找帧、通知帧和中继决策帧的联合使用，使得在前一 超帧中请求中继的节点在下一超帧中即可获取中继选择结果，实现网络协调点对中继 请求节点的快速响应；

(3)本发明由于在中继选择过程中修改IEEE 802.15.4星型网下的超帧结构及在 超帧调整过程中对IEEE 802.15.4多跳操作规范进行补充，实现在媒体接入控制层网络 生存时间的延长，相较于现有无线体域网中延长网络生存时间的媒体接入控制方法， 本发明考虑了无线体域网中不同节点的能耗差异性，更加贴合无线体域网的实际应用 场景，因此本发明的实用性更强。

附图说明

图1是本发明正常通信超帧结构示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明中中继请求时使用的帧控制域示意图；

图4是本发明中中继请求时使用的中继请求帧结构示意图；

图5是本发明中中继选择超帧结构示意图；

图6是本发明中中继选择时使用的信标帧结构示意图；

图7是本发明中中继选择时使用的中继寻找帧结构示意图；

图8是本发明中中继选择时使用的通知帧结构示意图；

图9是本发明中中继选择时使用的中继回复帧结构示意图；

图10是本发明中中继选择时使用的中继决策帧结构示意图；

图11是本发明中多跳超帧结构示意图。

具体实施方式

假设正常通信状态下，所有节点和网络协调点之间采用基于IEEE 802.15.4星型 拓扑的超帧结构通信，该超帧的结构如图1所示；并且假设网络中全部节点均能实时 测量自己的剩余能量值，如果某个节点i发现它测量的剩余能量值E_i低于网络规定的 能量门限值E_t，则该节点开始向网络协调点请求中继，本发明中称该节点为中继请求 节点。

参照图2，本发明包括中继请求、中继选择和超帧调整三部分，具体步骤如下：

一、中继请求

步骤1：中继请求节点请求中继

如果中继请求节点正好存在与网络协调点交互的帧，则该节点通过如图3所示的 交互帧控制域向网络协调点请求中继，当帧控制域的第7预留位为1时表示节点有中 继请求，为0则无中继请求。如果中继请求节点当前没有和网络协调点交互的帧，则 它给网络协调点发送一个专门的中继请求帧，如图4所示，该中继请求帧仍用其帧控 制域的第7预留位向网络协调点请求中继，媒体接入控制层负载为空。

步骤2：网络协调点收到中继请求后向发送中继请求的节点回复确认帧，用于确 认接收。

二、中继选择

步骤3，网络协调点发送信标帧。

本发明中继选择过程使用的超帧结构如图5所示，它是对IEEE 802.15.4星型拓 扑超帧结构的改进，即网络协调点根据前一超帧中的中继请求情况，在下一超帧的信 标帧和竞争期之间增加中继寻找期和中继决策期两部分，用于网络协调点在全网中为 中继请求节点。在中继选择超帧开始，网络协调点构造信标帧，其帧结构如图6所示， 该信标帧是在IEEE 802.15.4中信标帧结构的基础上的改进，即在媒体接入控制层负 载中增加了等待中继地址列表域relay pending address list，用于通知中继请求节点在 中继寻找期的时隙分配信息；之后，网络协调点将该信标帧以广播方式发送，所有节 点接收到信标帧后，读取其中的超帧长度、中继寻找期长度、中继决策期长度和竞争 期长度参数，并记录在本地缓存中。

步骤4，中继请求节点寻找l级邻居节点。

网络协调点发送完信标帧后，网络协调点和所有节点进入如图5所示的中继寻找 期，该时期的每个时隙是网络协调点按照信标帧等待中继地址列表域中所含地址的个 数和顺序依次分配给相应中继请求节点的。每个中继请求节点在中继寻找期时隙中以 其芯片所能提供的最小功率电平l广播中继寻找帧，其帧结构如图7所示，该中继寻 找帧是对IEEE 802.15.4帧结构的扩充，它的媒体接入控制层负载为空，用于中继请 求节点在相应中继寻找期时隙寻找它的l级邻居节点。网络中的其他节点打开自身的 收发信机侦听中继寻找帧。若某个侦听到中继寻找帧的节点设备类型是全功能设备， 则该节点称为中继请求节点的l级邻居节点，若节点在中继寻找期没有侦听到中继寻 找帧或者侦听到中继寻找帧的节点设备类型是精简功能设备RFD，则该节点关闭自己 的收发信机，在接下来的中继决策期休眠。

步骤5，网络协调点做出中继决策。

中继寻找期结束后，网络协调点、中继请求节点和l级邻居节点进入如图5所示 的中继决策期，其他节点在该段时间内休眠。网络协调点在中继决策期的第一个时隙 广播发送一个通知帧，其帧结构如图8所示，该通知帧是对IEEE 802.15.4帧结构的 扩充，它的媒体接入控制层负载为网络中所有全功能设备FFD的地址列表，即FFD address list，用于通知l级邻居节点在中继决策期发送中继回复帧的时隙分配信息。所 有l级邻居节点接收该通知帧并从中提取自己在网络中的地址序列号信息，根据获取 的地址序列号信息，每个l级邻居节点依次在中继决策期的相应时隙中给网络协调点 无碰撞地发送中继回复帧，其帧结构如图9所示，该中继回复帧是对IEEE 802.15.4 帧结构的扩充，它的媒体接入控制层负载包含l级邻居节点的当前剩余能量值和它侦 听到的中继请求节点地址信息，即E_i和Heard address list，用于网络协调点获取各中 继请求节点的l级邻居节点剩余能量信息，并做出中继决策。

步骤6，网络协调点广播中继选择结果。

网络协调点在中继决策期的最后一个时隙通过广播中继决策帧，其帧结构如图10 所示，该中继决策帧是对IEEE 802.15.4帧结构的扩充，它的媒体接入控制层包含成 功选到中继的节点地址列表和它对应的中继节点地址列表信息，即successful relay  request node address list和Corresponding relay node address list，用于通知中继请求节 点和l级邻居节点网络协调点中继选择的结果。中继请求节点和l级邻居节点接收该 中继决策帧，若中继请求节点的地址包含在中继决策帧的中继请求成功节点地址列表 中，则它请求中继成功，否则意味着中继请求节点以l级功率电平请求中继失败。中 继请求失败的节点以后的工作过程分为以下两种情况：第一，若中继请求失败节点在 步骤4中广播中继寻找帧的功率电平级数l未超过它与网络协调点直接通信时的功率 电平级数l₁，则该节点将l重新赋值为l+1后，转入步骤1；第二，若中继请求失败节 点的功率电平级数l的值增大到l₁-1时，网络协调点仍未为它成功选到中继，则该中 继请求节点放弃中继请求直接和网络协调点通信。

步骤7，所有节点和网络协调点完成中继选择超帧剩余的部分。

为保证中继选择过程不影响网络中各节点与网络协调点的正常业务交互，中继决 策期后，虽然网络协调点已为中继请求节点选到中继，但是这时网络模式并不立即做 出调整，即各节点仍直接和网络协调点通信，有业务需要和网络协调点交互的节点在 中继选择超帧的剩余激活期部分和网络协调点完成业务的交互，在非激活期部分，所 有节点和网络协调点进入休眠状态。

步骤8，网络拓扑结构调整。

整个中继选择超帧结束后，为了节省中继请求成功节点的剩余能量，网络拓扑结 构由正常通信时的星型结构调整为树形结构，即网络拓扑结构在中继请求成功节点支 路由单跳变为多跳，以后过程中中继请求成功节点仅需使用l级功率电平和它对应的 中继节点通信即可，网络协调点和中继请求成功节点之间不再直接通信。

三、超帧调整过程

步骤9，网络拓扑结构变化后，根据IEEE 802.15.4标准，为了适应拓扑结构的变 化，媒体接入控制层将自动使用支持多跳的超帧结构。从中继节点角度来看，该多跳 超帧结构包含中继节点接收到的超帧incoming superframe和中继节点作为普通协调 点发出的超帧outgoing superframe两部分，如图11所示。同时，为了避免树形网络 同一子层各中继节点同时发送信标帧造成的碰撞问题，中继节点的信标帧是根据中继 节点在步骤6的中继决策帧中获取的自身地址排序信息依次发送的，并且所有中继节 点发送的超帧激活期要在其协调点发送的超帧非激活期范围内完成。

术语说明

WBAN无线体域网

WPAN无线个域网

TDMA时分多址

MAC媒体接入控制

CAP竞争期

CFP非竞争期

EEG脑电图

ECG心电图

NLOS非视距

LOS视距

IEEE美国电气和电子工程师协会

TG6第六任务组

MLME媒体接入控制子层管理实体

outgoing superframe普通协调点发出的超帧

incoming superframe普通协调点接收的超帧

MAC Payload媒体接入控制层负载

FFD全功能设备

RFD精简功能设备。