无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法

摘要

本发明公开了一种无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法。无线医疗网络采用星型拓扑结构，由一个中心基站和N

说明书

技术领域：

本发明属于M2M通信技术领域，具体涉及一种无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法。

背景技术：

近年来，智能移动设备领域取得了飞速发展，出现了大量兼具的体征检测与无线通信功能的低成本移动设备，极大地推动了移动医疗与电子医疗等相关领域的蓬勃发展。在大型医疗场所，大量携带智能移动设备的人群和广泛分布的在医疗场所内的传感器设备将产生海量业务数据需要进行无线传输。同时，大型医疗场所又往往具有以下特征：大量共存的无线传输链路、恶劣的多径传播环境、复杂的系统间同频干扰等等。为保证在该场景大量无线业务数据的高效可靠传输，需要克服以下不同于以往的挑战：1)无线医疗网络下的终端设备的往往只需提供低速率小数据量的服务。同时，由于网络中终端设备众多，因此往往存在大量数据同时传输的情况。然而，传统的主流无线通信系统，如LTE-A、802.11x等则主要面向有限并发传输条件下的高速数据传输服务。这使得传统的无线通信技术难以被直接应用到该场景之下。2)无线医疗网络中业务类型的多样化进一步加大了MAC层接入控制机制的设计难度。典型无线医疗网络中往往同时存在周期性业务与随机性业务。支持周期业务的终端设备往往按照固定的时间间隔产生待传输业务数据包；而支持随机业务的终端设备的业务数据包产生时间间隔往往服从特定的概率分布。这使得传统针对单一业务模型的方案不再适用于当前场景。鉴于上述问题的存在，超窄带调制技术被引入到无线医疗网络中以满足该场景所提出的全新需求。由于超窄带调制技术所需传输信道带宽极窄，因此在信道资源有限的条件下可以得到更多无线传输信道，这也为接入控制方案的设计提供了更多的可能性。

发明内容：

本发明的目的在于针对大规模无线医疗网络这一全新应用场景，提供了一种无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法，无线医疗网络在物理层采用UNB调制技术使得在有限频谱资源条件下获得更多的接入信道资源，包括以下步骤：

1)根据无线医疗网络中终端设备所提供的服务类型将所有终端设备分为三类：提供短周期接入服务的终端设备、提供长周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备；

2)根据无线医疗网络中提供周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备的比例将总信道资源划分为两部分，分别用于这两类终端设备的接入控制；

对于提供周期接入服务的终端设备，基站采用基于“TDMA+FDMA”的方案进行接入控制，同时，根据网络中各终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期统一地为所有终端设备分配传输信道与传输时隙；

对于提供随机接入服务的终端设备，基站采用ACB机制进行接入控制；

3)当提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞率超过设定碰撞率门限r_gate时，通过动态调整后续时隙信道分配比例加速该终端设备组完成拥塞恢复。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中提供短周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期小于1分钟的设备；提供长周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期在1分钟至10分钟之间的设备；提供随机接入服务的终端设备被定义为数据包到达时间间隔服从特定随机分布的设备。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，对提供周期接入服务的终端设备的传输信道与传输时隙分配的具体步骤为：

记提供短周期接入服务的终端设备数为N_ps，提供长周期接入服务的终端设备数为N_pl，假设这些终端设备的业务周期取值分别来自于离散数值的集合，且记提供短周期服务的终端设备的周期取值来自于集合C_s，提供长周期接入服务的终端设备的周期取值来自于集合C_l，其中，集合C_s中的元素个数记为M_s，集合C_l中的元素个数记为M_l，具体步骤如下：

301)记集合C_s和集合C_l中元素的总数为M，对每一个元素值p_i,i＝1,2,...,M，统计数据包到达周期等于该值的终端设备数，记为n_i；

302)对每一个周期值p_i，分配给具有相应数据包到达周期的终端设备的信道数为记为c_i；

303)对每一个接入周期等于p_i的终端设备，如果在所有分配的c_i条信道上存在传输时隙使得该终端设备接入时延为0，即设备数据包到达时隙恰好为该设备所分配到的传输时隙，则将该时隙分配跟当前设备，且此后该信道上每隔p_i个时隙的传输时隙有用于该设备进行数据传输；

304)如果在所分配到的c_i条信道上不存在303)中所描述的时隙，在现存所有空闲时隙中通过遍历搜索的方式找出使该设备传输时延最小的时隙分配给当前设备；

305)重复步骤302)至304)，直到网络中所有提供周期接入服务的终端设备的传输时隙分配都结束为止。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中当数据包碰撞率超过设定门限时，动态调整后续时隙信道分配比例的具体步骤为：

401)若当前时隙网络中提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞概率大于设定门限r_gate，则从分配给提供短周期接入服务的终端设备的信道中随机选择N_contral个信道在下一时隙用于随机接入；

402)设置时隙计时器用于对启动信道动态调整机制的时隙进行计数；

403)若在下一时隙，网络中的数据包碰撞率已连续N_stable个时隙维持在正常碰撞率数值r_normal附近或计时器计数达到最大值，则结束信道动态调整；

否则，在下一时隙再从分配给提供短周期接入服务的终端设备的信道中随机选择额外的N_control个信道用于随机接入以加速无线医疗网络从网络拥塞中恢复。

与传统接入控制方法相比，本发明具有以下有益效果：

1、相比于传统接入控制方法只考虑单一类型业务模型的做法，本发明考虑了差异化业务模型，即周期接入业务模型与随机接入业务模型，共存条件下的接入控制方案设计，并且可通过实际网络中不同类型终端设备比例的不同调整信道分配比例，更加符合实际应用场景需求。

2、对于提供周期接入服务的终端设备，采用基于“TDMA+FDMA”的接入控制方案。同时，根据无线医疗网络中所有提供周期接入服务的终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期由基站统一进行传输信道与传输时隙的分配。这使得在大规模设备接入条件下，所提方法具有更高的信道利用效率和更低的数据包掉包率。

3、对于提供随机接入服务的终端设备，当在某一时隙由于出现大量突发数据传输请求时导致严重网络拥塞时，通过在接下来的时隙中动态调整信道分配比例，提供一定的网络拥塞恢复能力。

综上所述，相对于传统针对单一业务模型的接入控制方法，本发明可以有效提高大规模设备接入场景下的信道利用率，降低数据包掉包率；同时提供一定的网络拥塞恢复能力。

附图说明：

图1为系统模型示意图；

图2为信道利用率与网络中总终端设备数关系的曲线图；

图3为平均传输延迟与网络中总终端设备数关系的曲线图；

图4为不同设备平均传输延迟与网络中总设备数关系的曲线图；

图5为平均掉包率与网络中总终端设备数关系的曲线图；

图6为拥塞恢复过程中数据包碰撞率变化曲线图；

图7为不同数据包碰撞率条件下提供短周期接入服务的终端设备由于拥塞恢复机制所造成的平均掉包率示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所采用系统模型如图1所示。在本发明中，考虑应用于大型医疗场所的无线医疗网络。该网络采用星型拓扑结构，由一个中心基站和N_d个提供不同服务类型的终端设备组成，这些设备包括医疗传感器、测量传感器、可穿戴设备等等。在这N_d个无线医疗网络终端设备中，有N_ps个终端设备提供短周期接入服务；N_pl个终端设备提供长周期接入服务；N_r个终端设备提供随机接入服务。

对于N_ps个终端设备，它们主要用于为需要进行密集监护的住院病人提供健康体征监测服务，包括血糖水平监测、血压水平检测、血氧浓度检测等等。规定这类设备的数据包到达周期小于1分钟。对于N_ps个终端设备，它们主要用于为一般住院病人提供体征检测服务。同时，一部分该类设备还将用于对医院病房环境特征进行监测，包括温度、湿度等等。考虑到这两类数据在短时间内相对稳定，不会发生较大的变化，规定该类型设备的数据包到达周期在1分钟至10分钟之内。对于最后的N_r个终端设备，它们主要用于提供预警和呼叫服务，从而该类型终端设备的数据包到达时间间隔为随机值。方案中假设其服从贝塔分布：

$>p\left(t\right)=\frac{t^{\alpha -1}{(T_r-t)}^{\beta -1}}{T_r^{a+\beta -2}Beta(\alpha ,\beta )}---\left(1\right)$>

其中，T_r为数据包到达时间的最大间隔，Beta(α,β)为贝塔函数且取α＝3，β＝4。同时，假设所有终端设备具有相同的数据包长度，且该数据包长度与系统时隙长度相同。

在该系统模型下，本发明所提出的无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法的具体步骤如下：

1)根据无线医疗网络中终端设备所提供的服务类型将所有终端设备分为三类：提供短周期接入服务的终端设备、提供长周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备；

2)根据无线医疗网络中提供周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备的比例将总信道资源划分为两部分，分别用于这两类终端设备的接入控制；

对于提供周期接入服务的终端设备，基站采用基于“TDMA+FDMA”的方案进行接入控制。同时，根据网络中各终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期统一地为所有终端设备分配传输信道与传输时隙；

对于提供随机接入服务的终端设备，基站采用ACB机制进行接入控制；

3)当提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞率超过设定碰撞率门限r_gate时，通过动态调整各时隙信道分配比例辅助该终端设备组完成拥塞恢复。

步骤1)中提供短周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期小于1分钟的设备；提供长周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期在1分钟至10分钟之间的设备；提供随机接入服务的终端设备被定义为数据包到达时间间隔服从特定随机分布的设备；

步骤2)中，对提供周期接入服务的终端设备的传输信道与传输时隙分配的具体步骤为：

假设无线医疗网络中终端设备的业务周期取值分别来自于离散数值的集合，且记提供短周期服务的终端设备的周期取值来自于集合C_s，提供长周期接入服务的终端设备的周期取值来自于集合C_l，其中，集合C_s中的元素个数记为M_s，集合C_l中的元素个数记为M_l。

201)记集合C_s和集合C_l中元素的总数为M。对每一个元素值p_i,i＝1,2,...,M，统计数据包到达周期等于该值的终端设备数，记为n_i，i＝1,2,...,M；

202)对每一个周期值p_i，分配给具有相应数据包到达周期的终端设备的信道数为记为c_i,i＝1,2,...M；

203)对每一个接入周期等于p_i的终端设备。如果在所有分配的c_i条信道上存在传输时隙使得该终端设备接入时延为0，即设备数据包到达时隙恰好为该设备所分配到的传输时隙，则将该时隙分配跟当前设备，且此后该信道上每隔p_i个时隙的传输时隙有用于该设备进行数据传输；

204)如果在所分配到的c_i条信道上不存在203)中所描述的时隙，在现存所有空闲时隙中通过搜索的方式找出使该设备传输时延最小的时隙分配给当前设备；

205)重复步骤202)至204)，直到网络中所有提供周期接入服务的终端设备的传输时隙分配都结束为止。

步骤3)中当数据包碰撞率超过设定门限时，动态调整各时隙信道分配比例的具体步骤为：

301)若当前时隙网络中提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞概率大于设定门限r_gate，则从分配给提供短周期接入服务的终端设备的信道中随机选择N_contral个信道在下一时隙用于随机接入；

302)设置时隙计时器用于对启动信道动态调整机制的时隙进行计数；

303)若在下一时隙，网络中的数据包碰撞率已连续N_stable个时隙维持在正常碰撞率数值r_normal附近或计时器计数达到最大值，则结束信道动态调整；

否则，在下一时隙再从分配给提供短周期接入服务的终端设备的信道中随机选择额外的N_control个信道用于随机接入以加速无线网络从网络拥塞中恢复。

为验证本发明所提方法的性能，通过计算机仿真模拟对所提方法进行了评估。在仿真中，假设无线医疗网络所占用的总频谱宽度为200kHz，上行传输所需信道带宽为250Hz，系统时隙长度为1秒。同时，假设预定义集合C_s中含有6个元素，对应周期值分别为10s、20s、30s、40s、50s和60s；集合C_l中包含有9个元素，对应周期值分别为2min、3min、4min、5min、6min、7min、8min、9min和10min。对于提供随机接入服务的N_r个终端设备，其数据包到达时间间隔服从公式(1)中所提贝塔分布，其中T_r取值为600秒。仿真中采用传统的TDMA方案和3GPP所提出的应用于LTE-A的ACB的接入方案作为对比方案，就信道利用率、平均传输延迟和掉包率三项性能指标进行仿真评估：

图2给出了信道利用率与网络中总终端设备数关系的曲线。可以看出，在网络中总终端设备数目较低时，三种方案的信道利用率接近。但随网络中总终端设备数的增加，TDMA方案的信道利用率虽然始终在增加但增速在逐渐放缓；ACB方案的信道利用率在网络中总设备数到达20000时达到最高，随后逐渐降低；所提方案的信道利用率几乎保持线性增长，明显优于两种基准方案。

图3给出了平均传输延迟与网络中总终端设备数关系的曲线。可以看出，随网络中总设备数目增加，TDMA方案和ACB方案的平均传输时延逐渐增加；所提方案的平均传输时延逐渐减小。同时，在所给参数条件下，当网络中总设备数目小于26000时，所提方案平均传输时延性能明显差于两种基准方案；当网络中总设备数目大于26000时，ACB方案的平均传输时延快速增加，所提方案的平均传输时延区域平稳且由于ACB方案，但依然差于TDMA方案。这是由于在该方案下提供长周期接入服务的终端设备的时延性能较差所造成的，如图4所示。由于在所提方案中，具有相同数据包到达周期的终端设备会分配到同一信道组中。同时，终端设备数据包到达周期越长，信道组中的信道数越少。这使得提供长周期接入服务的终端设备有较大可能无法被分配到最优时隙，因而造成性能恶化。

图5给出了平均掉包率与网络中总终端设备数关系的曲线。由图可以看出随着网络中设备数目的不断增加，TDMA方案和ACB方案的平均掉包率均有所增加大。但所提方案在网络中总设备数目不断增大的条件下依然保持着极低的平均掉包率，性能明显优于两种基准方案。

图6为拥塞恢复过程中数据包碰撞率变化曲线。图中为网络终端设备数为40000时，数据包碰撞率突然升至80％后的拥塞恢复过程。可以看到在大约70秒后，网络中的数据包碰撞率即恢复到了正常水平。由图7可以看出，在该条件下，提供短周期接入服务的终端设备由于拥塞恢复机制所造成的平均掉包数仅约为0.2，所造成的性能损失极小。