基于分布式自动频率分配的移动医疗自组网系统设计

刘慧

摘   要：文章主要研究分布式动态频率分配在自组网中的应用，设计了一种新的方案，在开始组网时，先静态分配部分资源，然后根据实际情况进行动态自动频率分配剩余资源。主要介绍了设计模块的定义、分工和資源协商的主要过程，资源协商针对出现的各种情况定义协商规则，力图有效避免信道冲突，保证无线网络稳定。

关键词：分布式;自动频率;自组网

1    无线网络部署方案

文章提出一个新的无线网络部署方案，结合医院特殊的使用环境和设施，建立一个信号相对可变动的无线网络部署方案。每个护理车均设置为一个节点，在护士站中设置一个优先级最高的主节点，并接入医院内网环境中。当节点开始工作时，5个点可以自动组成无线局域网，随着节点移动，自组网的覆盖范围也有改变，任何一个节点上线或者掉线时，网络总体虽然会发生变化，但是不影响整个无线网络的使用。该方案需要进一步进行研究，包括网络信道划分问题、带宽设置问题、节点冗余问题等，主要集中在网络强制访问控制（Medium/Media Access Control，MAC）层协议中，MAC协议是Ad-hoc网络协议中重要的组成部分，既要对无线信道进行信道划分、分配和能量控制，又要负责向网络层提供统一的服务，屏蔽底层不同的信道控制方式，实现拥塞控制、优先级排队、分组发送、确认、差错控制和流量控制等。

在系统设计阶段，主要是对整个MAC层协议的框架进行整体的设计，有硬件和软件两个方面，包括MAC层与上下层的接口、层内部协议交互方式、软件协议模块的架构等，还包括系统硬件之间的通信方式。

2    系统设计

作为节点的护理机，一方面需要放置护士在日常工作中用到的医疗器械以及患者需要注射的药物等，另一方面还需要放置无线信号放射器等装备，放射器设备的硬件资源非常有限，由此决定选择嵌入式系统进行开发。在硬件选择上，决定在护士站安装一台MWE4111型节点以及其他转接设备，在护理车上安装车载节点（集成音视频采集和处理设备），为医务人员配备单点背负式节点（可集成音视频采集处理设备），建立一个稳定的宽带无线多媒体网络。MWE4111型设备提供一种基于多内核的CPU处理器—TMSC6670（DSP），含有4个子系统，每个系统都具有数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）核。采用DSP进行数字基带处理，属于达芬奇KeyStone结构，该款处理器为四核架构，可以支持核间与任务间的通信，TMSC6670中含有4个子系统，每个系统都具有DSP核，均支持浮点和定点运算，并且具备多核共享内存。每个C66x内核频率为1.25 GHz，提供每秒高达40 GB MAC的定点运算和20 GB FLOP浮点运算能力。该产品中还新增加了比特级协处理器（Bit Coprocessor，BCP），能够大幅度提升数字基带部分的处理性能。

无线通信是建立在发射和接受一定频率的电磁波的基础上的。在同一个物理空间内，两个或两个以上的电磁波收发装置采用相同或相近的频率同时工作时，相互之间就会有可能产生干扰，影响通信质量。频谱资源是有限的，因此，必须加强医院内频谱的统一规划和管理。

Ad-hoc网络协议栈的架构中，DSP4个核分别为：Core0—linux协议栈核;Core1—协议栈转发核;Core2和Core3—物理层PHY的信号处理和干扰处理核。

在Core0上使用的是Linux系统，其中包括系统的OAM管理层，网络层（NAP），MAC层（BBC与O-MAC），同时还包括Linux协议栈部分以及适配层（Adapter）。系统的软件架构如图1所示。

在图1中，OAM负责整个系统协议中，各层之间信息的管理，根据各个运营商或者需求客户的要求，网络管理工作主要分为3类，即操作（Operation）、管理（Administration）、维护（Maintenance），简称OAM。OAM主要包括Web，Cli、网管软件、Telnet功能等，具体是指节点之间的数据通路检测、目的节点的回环、目的节点故障警告灯。

在系统的设计中，每一个数据包都有一个相应编码来确定该数据包所属性质，在数据包拆分成数据帧之后，每一条数据帧仍然会包含此信息。在核间通信时，MAC就可以根据帧的类型进行数据的分发，数据包总共就分为两类：S0—控制类广播帧;B—网络传输帧。不同类型分发的目的地不同，S0将数据发送至MAC层协商资源，B将数据上送至网络层传输。

可以确定，MAC层接收到的都是S0帧，属于资源协商时用到的性质帧，因此，其模块主要分为下面两大部分。

2.1  广播模块

广播模块用于建立和维护Ad-hoc网络，包括节点间的邻居关系、网络拓扑、干扰情况和无线资源领用与剩余。在广播帧类型中，包括编码方式的协商帧，信号控制帧等各种类型，但是在定义结构体时，结构大致相同。广播模块和OAM模块是可以进行交互的，从而，可以改变节点的部分属性。

2.2  O-MAC协议模块

O-MAC协议就是设计核心。协议规定首先根据网络拓扑结构，集中式静态分配一部分无线网络资源，这部分资源主要用于传输控制信息或少量紧急数据。其次，剩余网络资源可以根据节点业务状态进行分布式自动频率的动态协商分配，在协商过程中采用3次握手机制，具体分配算法可采用链路质量评估、干扰检测等方式实现。

系统的设计环境是Linux系统，所有通信协议都是在Linux协议栈的支持下运行。结合TCP/IP协议的优点，协议栈中每层之间的接口需要进行清晰定义，模仿网络7层协议模式，每下层为其上层提供服务，每上层通过下层传递数据。通过先静态分配、再动态进行分布式自动频率分配，最终开发出一个完整的MAC协议模块。

在实际应用中，医生使用传输的数据基本都是文本数据，常用信息包含患者的基本信息、病情诊断、病程记录等，护士使用的信息主要集中在护理信息，如患者使用药品信息、注入途径、体温单、护理记录单等，以上都是结构化数据，信息量很小。影像方面的信息，图片本身属于非结构数据，数据信息量是非常大的，尤其是现代社会医疗技术的发展，影像学信息量几乎成几何增长，医生在查房时不可避免地会用到PACS系统，此时在设计上也要特别注意。

3    实施处理

首先，在医院使用中，当该病区足够大时，为了全面覆盖网络，就必须增加节点。节点数是不能无限增加的，因为当节点到达一定数值后，在最开始静态分配资源时，S0帧无法承载需要的广播帧的数目，进而无法组成Ad-hoc网络。另外，如果当医生查房时是一个一个病人查，在床位病人需要利用该网络上传数据时，别的远距离节点处于无数据传输状态，在静态分配资源时，是平均分配带宽的，会造成资源的浪费。在这种情况下，笔者重新定义了一个新的规则，即S0帧在主模块中，可以静态分配B帧，该帧不仅用于传输数据，同样具有分配剩余资源的功能，可以对本身的邻居节点进行B帧的二次分配。

其次，护士的护理车在随着医生移动的过程中，有时会出现掉线现象，在该节点掉线后，原则上网络需要收回这部分频段资源，但是因为节点的平等性，此节点会影响几乎全网的所有节点，基于此现象，需要设计一个新的回收机制。

最后，病区的设计一般都是窄型长方形矩阵式，护理车在病区的分布往往会集中于病区的两端，造成节点形成局部的小型网络，想要完成全网的结构，就会产生小网融合现象。因为局部网络在分配资源时使用同一个算法，有可能会在融合时发生同一个信道被两个局部网络共同使用的现象，此时就会产生冲突，因此需要设计一个冲突避免机制。

4    結语

本文从实际应用的角度描述了选择嵌入式开发流程和软件开发方法的理由，并注重介绍了整个无线自组网络的硬件和软件架构，针对硬件选择和核减通信方式也进行了详细的描述。在软件架构中，主要针对MAC层的各个模块的功能进行了设计，后续还会进行详细设计与研发。

Abstract：This paper mainly studies the application of distributed dynamic frequency allocation in Ad hoc networks， and a new scheme is designed. At the beginning of networking， some resources are allocated statically， and then the remaining resources are allocated dynamically and automatically according to the actual situation. This paper mainly introduces the definition and division of labor of the design module， and the main process of resource negotiation. Resource negotiation defines negotiation rules for various situations， trying to effectively avoid channel conflicts and ensure the stability of wireless networks.

Key words：distributed; automatic frequency; self-Ad hoc network