低传输模式医疗监测无线体域网MAC 协议

尚 薇，任领美，2，张重庆

（1.山东科技大学计算机学院，山东 青岛 266590；2.深圳信息职业技术学院 计算机学院，广东深圳 518172）

0 引言

老年慢性病人与亚健康人群数量的急剧增长已成为我国医疗卫生事业亟待解决的难题［1］。解决这一难题的第一步是改变传统医疗监测方式，以最小程度影响使用者的生活，可以在自由活动中接受监测为目标进行医疗监测。

无线通信技术、传感器技术、电池技术、微机电技术等技术的发展促进了无线体域网的诞生［2］。该网络综合了无线通信技术、传感器技术等，具有微型化、可进行无线通信等突出优点，因此在医疗监护、个人健康护理、士兵或消防员状态监测、体感娱乐、个人情绪监测等领域具有广阔的应用前景［3］。无线体域网由一个或多个放置在人体表面或人体内部的小传感器组成，可实时监测人体各种生理数据，并通过协调器与通信网络传送到云端，经数据处理后得出相应结果，供医务人员参考、分析。

在一个医疗监测无线体域网内，节点通常有两种工作模式：全传输模式［4］和低传输模式［5］。全传输模式是指一个节点以一定频率测量某个生理指标或生理状态，并将全部或相当比例的测量数据传送到协调器。例如，一个植入心脏的监测节点以每秒1Hz 的采样频率采集心脏状态数据，并将数据发送到协调器。低传输模式是指一个节点以一定频率测量某个生理指标或生理状态，但只在某些情况下才将测量结果传送到协调器。例如，上述的心脏状态监测节点仍以1Hz 的采样频率采集心脏状态数据，但其仅在判断采集数据出现异常的情况下才将测量结果传送到协调器。与全传输模式相比，低传输模式的一大显著优势是能够大幅降低能耗，进而能很大程度上延长节点寿命与服务时间。虽然低传输模式具有良好的节能潜力，但能量的节省不是自动实现的，仍需要合适技术的辅助，MAC 协议［6］就是其中之一。在医疗监测过程中，全传输模式与低传输模式是两种相辅相成的工作模式。因此，本文专门为低传输模式节点与全传输模式节点共存的无线体域网设计了一个MAC 协议，既能提高能量利用效率，又具有高可靠性和高实时性，并提供一个快速的唤醒与催眠机制。

1 研究现状

无线体域网广阔的应用前景吸引了许多研究者关注，并日渐成为研究热点。无线体域网可视为无线传感器网络（WSN）的一个分支，属于典型的交叉学科，需要多领域研究者的合作研究。如今世界各国已有越来越多研究人员投入到该领域研究中，开展了许多无线体域网研究项目并开发了相关应用系统，具有代表性的有美国哈佛大学的医疗护理系统CodeBlue、霍普金斯大学的健康与灾难救助系统AID-N、微软的实时生理监测可穿戴系统HealthGear、新加坡信息通信研究所的MobiSense 以及欧盟MobiHealth项目开发的mHealth 等。尤其是IEEE 于2007 年成立了802.15.6 工作组，开始制定无线体域网相关标准，并于2012年正式通过了WBAN 标准“IEEE 802.15.6 Standard for Wireless Body Area Networks”。我国许多大学与研究机构也开展了相关研究，包括清华大学、上海交通大学、香港科技大学、吉林大学、湖南大学、东南大学、台湾大学等。国家设立863 重点项目“无线体域网关键技术研究”，主要针对人体无线体域网技术、UWB 信道传输特性等专题进行研究，而且自2011 年起，国家自然科学基金委每年均资助多项WBAN 研究项目。国内具有代表性的无线体域网相关研究有：中科院计算所利用无线体域网开发的中医脉象信息收集及分析远程医疗系统、中科院传感网络与应用联合研究中心的无线体域网运动重建项目、香港中文大学的移动无线体域网跟踪与能量感知MAC 研究等。

无线通信技术［7］是无线体域网关键技术的重要组成部分，如何设计适用于无线体域网的通信技术是研究者们面临最重要的挑战之一。无线体域网是一种特殊的传感网（WSN），但又具有自己的特点，在网络环境与结构、数据模式、QoS 要求、节点移动性等方面与传统WSN 有很大不同。因此，适用于传统WSN 的通信技术并不适用于无线体域网，必须针对无线体域网的特点研究新的通信技术，其中便包括MAC 协议［8］。目前已提出了许多支撑无线体域网的MAC 协议，如DQBAN、EELDC-MAC、Med-MAC、Body⁃MAC、CA-MAC、802.15.4、802.15.6 等。这些协议通常考虑了各种应用所产生流量的特征，并使用载波侦听与冲突避免（CSMA/CA）［9］及时分复用（TDMA）［10］两种机制适配各种流量，因此具有一定的适应性。

一般而言，上述协议在设计时是以承载高数据流量为出发点并围绕此进行优化的。当然，这些协议能够调整其占空比（duty cycle）以适配低数据流量。但是，这些协议并不是专门为低流量应用设计与优化的，因此这些协议在承载低数据流量时不是最优。首先，这些协议的能量效率仍有提升的空间；其次，这些协议没有考虑协调器的能量效率［11］，有些甚至会牺牲协调器的能量效率来提升节点能量效率；第三，这些协议缺乏一个快速唤醒机制。该机制对于发生紧急事件时，快速唤醒相关节点进入满负荷工作状态是有利的，可以使医护人员收集尽可能详细的病人病情信息。该机制还可用于驱动一个执行器节点执行某些动作，如向病人体内注射一定量的胰岛素。本文提出的MAC协议可用于紧急事件监测节点与周期性监测节点并存的网络，通过设计帧结构，该协议能适配周期性的高数据率流量，也能适配低数据率流量。不仅如此，通过在嵌入帧内配置多个数据段，可使协议承载更高的数据流量。

2 超帧结构及操作过程

2.1 超帧与数据帧结构

星形结构的无线体域网一般存在两种通信模式：信标模式（beacon mode）和无信标模式（non-beacon mode）［12］。在信标模式下，时间被划分为超帧并由协调器进行控制，协调器定期发送包含同步信息和网络控制数据的信标帧，节点接收信标帧，并根据信标帧里包含的信息选择合适的接入方式访问信道；在无信标模式下，一个节点的接收器不需要定期接收信标帧。虽然无信标模式能够保障节点能量利用的高效率以及从节点到协调器的低数据传输延迟，但其难以实现从协调器到节点的低传输时延，也难以实现快速唤醒机制。因此，本文提出的协议没有使用无信标模式。通过利用信标模式的优点，并设计有限机制克服信标模式的缺点，使本文协议能够满足工作在低传输模式节点的需求。

图1（a）给出了MAC 协议的基本超帧结构，这种结构适用于所有节点工作在低传输模式的无线体域网。超帧的开始是信标帧，信标帧包含同步与控制信息，如时间戳、信标帧间隔、时隙长度、时隙分配等。信标帧之后是一个可选的广播阶段，该广播阶段是否存在及其长度需要在信标帧中说明。广播阶段被用于从协调器向所有节点发送长广播信息，该阶段存在与否取决于在前一个超帧期间协调器是否产生或收到需要向节点进行广播的长信息。如果协调器产生了这样的广播数据，则可以中断当前超帧并开始一个新的超帧。在新的超帧中，广播阶段将会被激活，协调器利用此广播阶段对数据进行广播。广播阶段之后是一个包含保证时隙（Guaranteed Time Slots，GTS）［13］的无碰撞阶段（CFP），此CFP 阶段长度以及GTS 时隙分配同样在信标帧中进行说明。CFP 阶段被用于将大数据从节点传送到协调器，或将大数据从协调器传送到节点。该阶段是否存在取决于前一个超帧期间协调器或节点是否产生了大数据。如果某些节点有大数据产生，则节点将在上一个超帧向协调器报告，协调器根据数据优先级情况决定是否立即中断此超帧并开始新的超帧。若大数据优先级足够高，则当前超帧被立刻中断并开始一个新的超帧。在新超帧中，CFP 阶段被激活并为节点分配GTS 时隙，节点将在自己的GTS 时隙将数据发送到协调器。若协调器有大数据产生并要发送给某个节点，协调器判断大数据优先级，若优先级足够高，则中断此超帧并开始新的超帧，同时在新的超帧信标帧中对情况进行说明，激活CFP 并分配GTS，在GTS 时隙内将数据发送到相应节点。

Fig.1 The superframe structure of MAC protocol in this paper图1 本文MAC 协议的超帧结构

在CFP 阶段之后是一个较长的非活跃阶段。因为当所有节点都工作在低传输模式时，网络内的流量大部分时间会保持在很低的水平，因此一个较长的非活跃阶段有助于帮助协调器和节点节约能量，但可能导致节点数据不能被及时发送到协调器，或协调器数据不能及时发送给节点。因此，本文MAC 协议使用嵌入时隙（insertion time slots）机制解决此问题。具体来说，就是在非活跃阶段插入一些短的嵌入时隙，以传输节点与协调器产生的数据。

图1（a）中的超帧结构仅适用于所有节点都工作在低传输模式的无线体域网，而不能满足一个有节点工作在全传输模式的无线体域网的需要。为了支持这种无线体域网，本文MAC 协议设计了如图1（b）所示的超帧结构。如图所示，循环阶段取代了图1（a）中的非活跃阶段。一个循环阶段的开始有一个活跃阶段，该活跃阶段可供全传输模式节点传输数据，此阶段可划分为任意的复杂结构以适应全传输模式节点的需要。一个循环阶段的剩余部分类似于图1（a）中的非活跃阶段，包含一个长的非活跃阶段并插入了许多嵌入时隙。

从图1 可以看出，一个嵌入时隙包括一个数据段和一个确认段，数据段又可包含多个数据子段。数据子段被用来为协调器和工作在低传输模式下的节点传输数据。如果一个无线体域网内的低传输模式流量非常低，则可在一个嵌入时隙内仅配置一个数据子段。

在一个嵌入时隙的数据子段传输的帧被称作一个嵌入数据帧。如图2 所示，一个帧的总长度为10 个字节，具有4 个字段。如果此帧是一个上行帧，则地址字段指示了发送节点的地址；如果此帧是一个下行帧，则此地址字段指示了接收节点的地址；如果此帧是一个广播帧，则此地址应设置为255，也即广播地址。

Fig.2 Structure of embedded data frame图2 嵌入数据帧结构

图3 显示了在确认段传输的帧结构，这样一个帧被称作一个嵌入确认帧。嵌入确认帧主要用于确认从节点发送到协调器的数据帧。确认帧的长度和结构随数据子段和节点数量的变化而变化。

Fig.3 Structure of embedded acknowledgement frame图3 嵌入确认帧结构

2.2 MAC 协议操作过程

本文MAC 协议的操作分为两种：上行操作和下行操作。上行操作完成从节点到协调器的数据传输，下行操作完成从协调器到节点的数据传输。为了支持这些操作，每个节点或协调器需要维护一个存储数据帧的列表。这些数据帧以优先级排列，因此列表的首部存储着优先级最高的数据。因为大部分流量都是从节点到协调器的，因此大部分数据子段被分配为上行子段，只有小部分数据子段被分配为下行子段。如果一个无线体域网包含很多节点，或在某些情况下流量增加，则会出现在一个嵌入时隙间隔产生多个帧的情况。在这种情况下，有必要将节点分成多个组，每一组分配不同的数据子段完成数据传输，从而有效降低碰撞概率。如图4 所示，节点A、B 使用不同的数据子段进行传输。

Fig.4 Nodes use different data segments to send data to the coordinator图4 节点使用不同数据子段发送数据到协调器

图5 显示了协调器使用一个下行嵌入时隙广播一个小数据或命令帧给所有节点的操作。这种操作可用来驱动一个执行器节点。数据或命令被封装到数据字段并被广播到所有节点。所有节点在数据子段都会醒来接收协调器发送的帧并检查帧中的地址字段，如果一个节点发现该帧不是发送给它的，则丢弃此帧并进入睡眠状态；如果一个节点发现该帧是发送给它的，则接收此帧。接收完毕后，一个节点可能切换进入睡眠模式或执行其他操作，这取决于帧的内容。

Fig.5 Coordinator broadcast data to all nodes图5 协调器广播数据给所有节点

3 性能仿真评估

仿真采用一个具有24 个节点和1 个协调器的星形无线体域网。仿真工具采用OMNeT++［14］，所有节点和协调器的天线设置都基于CC2530［15］。该天线模块有3 种能量模式：低能耗模式2（Low Power Mode 2）、低能耗模式1（Low Power Mode 1）和活跃模式（Active Mode）。仿真使用6 个MAC 方案：802.15.4［13］、MEM-MAC 以及4 个GN 取不同值的本文MAC 协议方案。4 个GN 值分别为3、6、12、24，代表每一组节点集分别有8 个、4 个、2 个、1 个节点。MEM-MAC和本文MAC 协议方案的IN 值都设置为4。

3.1 功耗

节点传输不仅传输已有数据，而且需要传输碰撞时产生的额外数据，这些操作的功耗［16］计算公式如下：

其中，TData为数据子段长度，Ti_data为数据传输时间，PTX表示当天线处于发送模式时一个节点的功率消耗，TCSMA表示一个节点竞争接入媒体的平均时间，TCSMA可使用如下公式计算：

如图6 所示，在数据率较低的情况下，所有本文MAC协议的节点能耗低于802.15.4 和MEM-MAC。

Fig.6 The change of node power consumption with the average data transmission interval图6 节点功耗随数据发送平均间隔的变化情况

协调器的传输操作包括广播常规和非常规信标帧以及确认数据帧。因此，协调器的传输功耗［17］可表示为：

如图7 所示，在流量较低的情况下，如当平均数据发送间隔大于10s，各种MAC 方案的平均功率从高到低依次为：本文MAC 协议GN=24、本文MAC 协议GN=12、本文MAC 协议GN=6、本文MAC 协议GN=3、802.15.4 和MEM-MAC。

Fig.7 Variation of coordinator power consumption with average data occurrence interval图7 协调器功耗随平均数据发送间隔的变化情况

3.2 平均延迟

下面分析本文MAC 协议的大数据和小数据传输时延［18］。无论是小数据还是大数据，其等待时间是一样的。令IIns为确认时隙间隔，则等待时间为。小数据的平均时延可表示为：

大数据的平均时延可表示为：

其中，TIns是一个嵌入时隙的长度。IIns、TCAP和TCFP的长度都是在运行中确定的。

图8、图9 分别给出了小数据和大数据的平均延迟。由图可知，随着平均数据发送间隔缩短，所有帧延迟都会增加。

Fig.8 Influence of average data occurrence interval on average delay of small data图8 平均数据发送间隔对小数据平均时延的影响

Fig.9 Influence of average data occurrence interval on average delay of big data图9 平均数据发送间隔对大数据平均时延的影响

3.3 时隙利用率

本文MAC 协议的时隙利用率［19］指标可使用节点和协调器活跃时间的并集占所有时间的比率来反映，可表示为以下公式：

如图10 所示，在流量很低的情况下，时隙利用率从低到高为：本文MAC 协议GN=24、本文MAC 协议GN=12、本文MAC 协 议GN=6、本 文MAC 协 议GN=3、802.15.4 和MEM-MAC。结果表明，时隙数量越大，时隙利用率越低。

Fig.10 Effect of average data occurrence interval on slot utilization efficiency图10 平均数据发送间隔对时隙利用效率的影响

4 结语

本文针对低传输模式监测节点的需求，设计了一个基于信标的自适应MAC 协议。本文MAC 协议采用长超帧结构以降低信标帧收发能耗，并在超帧的非活跃期插入嵌入时隙以传输低传输模式节点的流量，同时满足其QoS 需求。对于具有较多节点以及流量较高的无线体域网，采用在一个嵌入时隙内设置多个数据子段的方法适配较高流量，降低帧碰撞几率。因此，本文MAC 协议能够支持低传输模式和高传输模式共存的无线体域网。低数据率无线体域网流量可能随时间发生较大变化，本文MAC 协议可以改变在一个嵌入时隙内的数据子段数量，因此该协议具有适配时变低传输模式流量的能力。在后续研究中将针对此问题进行深入研究，包括根据时变流量优化在一个嵌入时隙内的数据子段数量、CAP 阶段长度优化以及自适应算法设计等。