基于优先级的无线体域网MAC协议研究*

王杰 曾碧

（广东工业大学计算机学院)

基于优先级的无线体域网MAC协议研究*

王杰 曾碧

（广东工业大学计算机学院)

由于体域网节点能量有限，不易更换，因此降低节点能耗，对延长节点和网络生存期十分重要。针对体域网在医疗领域应用的特点，根据数据业务类型和数据量的大小，采用设置优先级的策略，提高节点发包成功率，降低碰撞，以达到减少网络整体时延，降低节点能耗的目的。

无线体域网；MAC协议；优先级

0 引言

无线体域网（wireless body area network，WBAN）是指利用安装在人体内或体表的各种专用传感器，监测身体各部位的生理参数情况，如体温、心电图、血压、肌电图、心率、血氧浓度等，然后通过网络传至中心节点，再由中心节点通过无线网络传送到远程监控中心[1]。它不仅是新型医疗保健和疾病监控的解决方案，也是物联网感知和传输的组成部分。2010年5月，IEEE 802.15.6工作小组创建了WBAN通信标准的初稿，给出物理层、MAC层的相关标准[2]，其发展前景吸引了更多的研究人员参与其中。

由于有些WBAN节点被植入体内，电池无法频繁更换，节点能耗便成为WBAN的一个关键研究点。研究表明，节点能量消耗主要产生在发送帧时，需对信道侦听、帧碰撞之后重传、控制报文开销等环节[3]。因此节点发送数据帧时减少碰撞，可降低重传率，保持网络整体高吞吐量，使网络时延减小，保证通信可靠和节点的能量效率。

1 体域网的医疗应用

通过在人体体表和体内安装不同传感器，可检测人体生理状况，如血压、血氧、心电图、体温、呼吸机、脑电图、肌电图等。随着医疗技术的发展，新式植入式医疗传感器得到广泛应用，如可穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、睡眠生理检查器、检测体内血糖浓度的传感器、心脏起搏器、心电图传感器和用于运动保健的计步器及其手机APP应用等，WBAN医疗应用示例图如图1所示。

图1 WBAN医疗应用示例图[3]

不同于物联网中节点业务的单一化，体域网中由于使用多个传感器，且存在发送数据量和优先情况的差异，导致业务多元化明显。WBAN业务数据流参照表如表1所示。

由表1可以看出，心电图、脑电图、视频的数据量相对较大，血压、体温、血氧的数据量相对较小。

2 体域网MAC协议

在IEEE 802.15.6标准中，中心节点周期性地广播1个信标帧，2个信标帧之间的时间叫做超帧，信道就为超帧结构[4]。每个超帧包含若干时隙，长度固定。超帧边界由中心节点确定。中心节点协调信道Hub有3种接入方式，决定了IEEE 802.15.6超帧结构的3种工作模式。

表1 WBAN业务数据流参照表

1) 信标模式与超帧边界

该模式下，Hub在每个活跃的信标周期组织合适的接入阶段，IEEE 802.15.6超帧结构图如图2所示。超帧结构分为9个阶段：信标1（B1）、独占访问阶段1（EAP1）、随机接入阶段1（RAP1）、Type I/II阶段、独占访问阶段2（EAP2）、随机接入阶段2（RAP2）、Type I/II 阶段、信标2（B2）、竞争接入阶段（CAP）。除信标外，Hub可以选择其中1个或所有阶段。

图2 IEEE 802.15.6超帧结构图

B1主要是超帧的初始化，实现管理网络、设备同步等；EAP、RAP和CAP阶段，节点使用CSMA/CA或时隙Aloha接入过程来竞争资源分配，EAP1和EAP2用于处理紧急信息，而RAP1、RAP2和CAP只用于正常传输；在Type I/II 阶段，使用轮询分配资源，模式I接入阶段主要负责上行通信、下行通信或者双向通信，模式II接入阶段主要处理双向连接；B2确定CAP的开始位置。

2) 非信标模式与超帧边界

该模式下，整个超帧时间只能有1个Type I。

3) 非信标模式与无超帧边界

该模式下，超帧边界未指定，信标帧不会定期发送，协调器只提供不定期Type II 轮询分配。

3 设计方案

在WBAN中存在多元化业务的情况下，优化MAC层协议，对不同的业务数据进行优先级设定，对关系生命体征的重要数据，如心电图数据等，分配高优先级。高优先级的数据能够得到较多时隙传输，在一定程度上保证了中心节点能及时准确收到数据帧，远程监控中心能及时得到病人的关键信息。同时，由于WBAN数据存在很大的关联性，如病人身体状况出现异常时，血压、体温、心电图数据都可能出现异常，需要及时传输数据，针对不同业务设置的优先级能够有效地避免节点传输数据时的碰撞，达到节能和快速响应的目的。优先级的标准设置如下：

高优先级包括血压、心电图和脑电图等数据，这类数据不断变化，且数据量相对大，数据间的关联性较大，实时性要求高。

低优先级包括体温、血氧等数据。在IEEE 802.15.6中，MAC层采用CSMA/CA和Slotted

优先级调度的策略是在超帧的开始时隙期间，如果高优先级与低优先级节点竞争信道产生冲突，高优先级数据包会因为设置的CW值最小而优先被传输。在网络中根据节点的多种特性，如数率、周期性等，设置8种不同优先级的数据帧。多种不同优先级的数据帧在竞争信道时，高优先级设置了较短的CW值；低优先级节点设置较长的CW值。这样，既减少了节点的碰撞，又使高优先级节点发送的重要数据能及时有效的传输。各优先级CW参考值如表2所示。

图4 仿真时延图

表2 各优先级CW参考值

由图4可以看出，采用改进优先级MAC协议后，网络整体的时延减少，提高了网络性能。时延减少，使节点碰撞率降低，重传次数减少，从而降低节点能耗。

4 仿真

5 结语

图3 仿真节点图

图3中仿真节点个数为30个，其中node1～node15为高优先级，node16～node19为低优先级。node30为Hub。仿真时延结果如图4所示。

从医疗领域中体域网节点业务类型不同的角度出发，提出了节点优先级的策略，达到减少节点碰撞，节约节点能耗的目的。

随着体域网的不断发展，其MAC协议的研究出现很多新方向，技术将会更加成熟、高效。可以期待，WBAN中单个节点乃至整个网络的生命周期不断延长，以至不用再担心节点能耗问题。

[1] Kwak K S, Ullah Sana, Ullah Niamat. An overview of IEEE 802.15.6 standard[S]. IEEE, 978-1-4244-8132-3, 2010.

[2] IEEE Standards Association. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks-Part 15.6: Wireless Body Area Networks[S]. IEEE Compuer Society, 2012.

[3] 周哲.基于IEEE802.15.6的无线体域网高效节能接入机制研究[D].武汉:华中科技大学,2012.

[4] Ullah S1, Shen B, Islam SM, et al. A Study of MAC Protocols for WBANs[J]. Sensors, 2010, 10(1):128-145.

[5] 李晋南,林金朝,庞宇,等.人体局域网的MAC层分析与研究[J].数字通信,2014,41(1):19-23.

[6] 李馨,叶明.OPNET Modeler网络建模与仿真[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

Research on MAC Protocol for Wireless Body Area Network Based on the Priority

Wang Jie Zeng Bi
(School of Computer, Guangdong University of Technology)

Due to the limited node energy and which is not easy to replace, it is so important to reduce node energy consumption and prolong the lifetime of the network nodes. The data type and amount of data size is significant different in medical applications. It is a good strategy that we set priorities to improve the success rate and reduce collisions to save energy consumption.

Wireless Body Area Network; MAC Protocol; Priority

王杰，男，1990年生，硕士生，主要研究方向：嵌入式及物联网的应用。E-mail: 550871892@qq.com

国家自然科学基金（61300107）

曾碧，女，1963年生，教授，硕士生导师，主要研究方向：嵌入式物联网技术，智能计算与智能机器人。