无线体域网高能效竞争接入机制研究*

刘 帆，高伟东，胡 炜，刘景文，池连刚

（1.北京大学人民医院 信息中心，北京100044；2.普天信息技术有限公司 系统规划部，北京100080）

无线体域网高能效竞争接入机制研究*

刘 帆1，高伟东2，胡 炜2，刘景文2，池连刚2

（1.北京大学人民医院 信息中心，北京100044；2.普天信息技术有限公司 系统规划部，北京100080）

低能耗是无线体域网 WBAN通信最重要的指标。构建了 IEEE 802.15.6无线体域网CSMA/CA竞争接入的功耗模型，分析了用户优先级、MAC帧负荷尺寸和数据到达量对信道接入能耗的影响，提出了一种通过数据汇聚传输提高能量效率的增强型信道接入方法。仿真结果表明，在低业务量及混合业务场景下，所提方法能够显著减少信道接入的能量消耗。

无线体域网；竞争接入；低能耗；汇聚传输

0 引言

随着传感器技术和短距离无线通信技术的发展，可穿戴式设备逐渐兴起，并广泛应用于运动、健身、远程医疗和家庭健康监测等领域[1]。可穿戴式设备尺寸小且能量受限，对能耗提出了极高的要求，需要进行超低功耗设计[2-3]。为了解决已有短距离无线通信标准在功耗方面的不足，IEEE于 2007年成立了 TG6标准工作组，目标是制定穿戴式设备和植入式设备专属的低功耗、安全可靠的无线体域网(Wireless Body Area Networks，WBAN)通信标准[4]。

自IEEE 802.15.6标准发布之日起，该标准就受到了广泛关注，业界基于该标准开展了大量研究工作，目标是降低WBAN系统功耗，提高传输的可靠性，增加系统吞吐量。文献[5]、文献[6]从吞吐量和时延的角度对IEEE 802.15.6的 CSMA/CA机制进行了研究，但是没有对WBAN系统的功耗指标进行分析。文献[7]和文献[8]对WBAN中的定时信道接入机制的能量效率进行了分析，但是没有对随机信道接入机制进行研究。本文对IEEE 802.15.6的 CSMA/CA接入机制的能量效率进行了分析，首先建立了平均能耗模型，并在此能耗模型框架下提出了一种增强型的信道接入机制。该方法通过对混合业务进行汇聚传输，减少CSMA/CA接入中空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)的能耗，进而降低数据的平均能耗。

1 能量效率评估

1.1 传输时延建模

在理想信道条件下，不考虑数据在终端节点中协议层之间传递所需的能量，CSMA/CA接入及数据传输消耗的能量由CCA、发送MAC帧和中心节点接收ACK帧所消耗的能量构成。

(1)CCA的时间

不考虑多用户的竞争，终端节点获得一次竞争分配需要进行CCA的总时间为：

其中：CWmin[UP]是优先级为 UP的业务对应的最小竞争窗长；TCCA是终端节点在一个CSMA时隙内进行 CCA的时间。

(2)MAC帧发送时间

终端节点发送一个MAC帧的时间为：

其中：TP=LP/RP是物理层汇聚协议(Physical Layer Convergence Protocol，PLCP)前导码的发送时间，LP是 PLCP前导码的长度，RP是PLCP前导码的发送速率；TPHR=LH/RH是PLCP头部的发送时间，LH是 PLCP头部的长度，RH是PLCP头部的发送速率；LMHR是 MAC头部的长度；LFB是数据帧负荷的长度，满足 0≤LFB≤255；LFCS是MAC帧校验序列的长度；RDATA是MAC帧的发送速率。

(3)ACK帧时间

ACK帧只包含MAC头部和帧校验序列，采用与数据相同的发送速率，ACK帧的发送时间为：

1.2 传输时延建模

(1)平均能耗下限

考虑 full-buffer业务，终端节点每比特的平均能耗下限（J/bit）为：

其中：PCCA是终端节点 CCA的功率，PTX是终端节点发送MAC帧的功率，PRX是终端节点接收ACK帧的功率。

将式(1)～式(3)代入式(4)并进行化简得到：

其中A和B都是常数，表达式如下：

在实际WBAN中，数据传输具有一定时延要求，因此还需考虑业务对时延的要求。假设业务的用户优先级为UP，数据到达率服从泊松分布，最大时延要求为T，则在0～T时间内到达m个MAC帧的概率为：

其中：λ是泊松分布参数，m=0，1，2，…，+∞。在0～T时间内到达的MAC帧数量期望值为Np=λT。

每次竞争接入能够发送的 MAC帧数量最多为Nmax，发送Np个MAC帧需要发起竞争接入的次数NC为：

根据式(1)～式(3)和式(9)～式(10)，可以得到：

其中：A和B的表达式分别见式(6)和式(7)，不等式成立的条件是 λT/Nmax为整数。

2 汇聚传输

在WBAN中，单个终端节点上可能会同时存在多个业务，因此需研究混合业务情况下的平均能耗。考虑两个业务的场景，当终端缓存了多种具有不同优先级的数据时，可以采用不同的数据传输机制。

(1)独立传输。每种业务使用自身的 UP值进行竞争接入，在获得的竞争分配内只发送对应的业务。

(2)汇聚传输。使用低用户优先级业务的UP进行竞争接入，在获得的竞争分配内发送本用户优先级的数据以及具有更高用户优先级的数据。

假设终端节点缓存中存在 m(m≥1)个业务的数据，索引为 i的业务的MAC帧个数分别为 Ni(i=1，2，…，m)且 Ni＞0(i=1，2，…，m)，对应的用户优先级分别为 UP1，UP2，…，UPm且满足 UP1≥UP2≥…≥UPm，在一个竞争分配内最多能够发送的 MAC帧数量分别为 Nmax_i(i=1，2，…，m)。汇聚传输的流程如下：

(2)计算每个业务的 Ni%Nmax_i(i=1，2，…，m)值，若Ni%Nmax_i≠0，则该业务的 Ni%Nmax_i个 MAC帧与其他业务的数据汇聚传输。

直到所有MAC帧都划分到相应的组。

(5)将每个组中所有 MAC帧 UP值的最大值作为整个组的UP值，并按照组UP值从大到小的顺序对所有组进行降序排序。如果多个组对应相同的UP值，则组中所有MAC帧的UP平均值较大的排序在前。如果多个组中的MAC具有相同的平均UP值，则对这些组进行随机排序。

(6)对于排序后的组，利用组 UP值进行竞争接入，并在获得的竞争分配内发送该组内的MAC帧。

通过定性分析可知：独立传输机制实现比较简单，汇聚传输机制具有更高的能量效率。

3 仿真结果

本节仿真评估了CSMA/CA接入的平均能耗以及汇聚传输机制的性能，相应的仿真参数设置如表1所示。

表1 仿真参数

单业务下的平均能耗下限如图1所示。从图中可以看出，在单业务的情况下，高用户优先级业务的每比特平均能耗低于低用户优先级业务的每比特平均能耗。因为用户优先级越高，CWmin[UP]值越小，在单次竞争资源内可以发送的数据包越多。由图1还可以看出，相邻的两个用户优先级（UP=0&1，UP=2&3，UP=4&5）两两具有相同的能量效率，因为相邻的用户优先级对应相同的CWmin[UP]/Nmax值。

图1 不同用户优先级业务每比特平均能耗下限

图2是不同帧负荷长度下的每比特平均能耗曲线。从图中可以看出，随着帧负荷长度的增加，每比特的平均能耗呈现下降趋势，原因是帧负荷长度越小，数据中的有效信息越少，能量效率也就越低。当帧负荷长度小于 50 B时，随着帧负荷长度的减小，每比特的平均能耗显著增加，这意味着在WBAN中发送MAC帧时，为了维持较高的能量效率，要避免采用很小的帧负荷长度值。当帧负荷长度在50～255 B之间时，每比特的平均能耗数值相差不大，原因是开销比特长度固定，随着帧负荷长度的增加，一个MAC帧中有效信息比特的占比增加有限。

图2 不同帧负荷长度下每比特平均能耗

图3 不同数据到达下汇聚传输的性能

独立传输和汇聚传输的性能比较如图3所示。假设业务1和业务2的用户优先级都为6，并且数据到达量相同，则在任何情况下汇聚传输的平均能耗都不高于独立传输，但是随着数据量的增加，二者的性能逐渐接近。当MAC帧数量小于5时，汇聚传输的性能增益最为明显，最高可达5.1%。在个别特定的点上，独立传输与混合传输具有相同的能量效率，因为在这些场景下两种数据传输机制对MAC帧的发送处理过程相同。但是，在实际的WBAN网络中，数据到达是随机的，为了能够使传输能耗始终维持在较低水平，应该优先采用汇聚传输机制。

4 结论

本文建立了理想信道条件下WBAN中CSMA/CA接入的能耗模型，分析了CSMA/CA各参数取值对系统能耗的影响，并针对小数据量业务CCA能耗过高的问题提出了一种数据汇聚传输方法。仿真结果表明，高用户优先级业务的传输能量效率高于低用户优先级；系统能量效率对MAC帧负荷的长度十分敏感，频繁发送短MAC帧负荷会导致较大的能量浪费；通过对小数据量业务进行汇聚传输，能够有效降低系统能耗。后续将基于本文的能耗模型，建立能够降低系统能耗的链路自适应算法,并就在实际WBAN信道环境下的信道接入改进方法进行研究。

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[4]IEEE 802.15.6-2012 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 15.6：Wireless Body Area Networks[S].New York：IEEE，2012.

[5]ULLAH S，CHEN M，KWAK K S.Throughput and delay analysis of IEEE 802.15.6-based CSMA/CA protocol[J]. Journal of Medical Systems，2012，36(6)：3875-3891.

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[7]TACHTATZIS C，DI F F，TRACEY D C，et al.An energy analysis of IEEE 802.15.6 scheduled access modes[C]. 2010 IEEE GLOBECOM Workshops，Miami，2010：1270-1275.

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Research on energy efficient contention access mechanism for wireless body area networks

Liu Fan1，Gao Weidong2，Hu Wei2，Liu Jingwen2，Chi Liangang2
(1.Information Center,Peking University People′s Hospital,Beijing 100044,China; 2.System Planning Department,Potevio Information Technology Co.,Ltd.,Beijing 100080,China)

Low power consumption is one of the most important metrics in Wireless Body Area Network(WBAN)communications.This paper firstly establishes the power consumption model for CSMA/CA based random access in IEEE 802.15.6 WBAN and evaluates the impact of the parameters,including User Priority,MAC frame payload size and the amount of data arrival,on the performance of energy efficiency.Then an enhanced channel access method that can improve the energy efficiency via aggregation transmission is proposed.Simulation results show that the proposed method can significantly reduce the energy consumption of channel access in the case of low traffic and hybrid traffic scenarios.

wireless body area network;contention access;low power consumption;convergence transmission

TN929.5

A

0258-7998(2015)04-0105-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.025

2014-09-18）

刘帆（1976-），男，硕士，副主任医师，主要研究方向：医疗物联网、医疗信息化。

高伟东（1981-），男，博士，高级工程师，主要研究方向：信号与信息处理、无线通信。

胡炜（1977-），男，博士，教授级高工，主要研究方向：无线通信、医疗物联网。

国家科技重大专项（2013ZX03005008001）；工信部物联网发展专项资助项目（2012-1-4）