專利名稱：用于身體區(qū)域網(wǎng)絡中的高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g的制作方法
技術領域：
本申請要求2008年8月11日提交的美國臨時申請No. 61/087，747和美國臨時申 請 No. 61/087，749 的權益。
背景技術：
本發(fā)明總體上涉及諸如身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)之類的低功率無線傳感器網(wǎng)絡中利用 的介質訪問控制(MAC)協(xié)議。身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)主要被設計用于永久地監(jiān)視和記錄生命體征。圖1中示出的 示例性BAN 100包括多個節(jié)點120，這些節(jié)點典型地為可佩戴或可植入人體內(nèi)的傳感器。節(jié) 點120監(jiān)視重要的身體參數(shù)和運動并且通過無線介質彼此通信。節(jié)點120可以將數(shù)據(jù)從身 體傳送到一個或多個設備130，數(shù)據(jù)可以通過局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、蜂窩網(wǎng)絡等等從 所述設備實時地轉發(fā)到醫(yī)院、診所或者別處。設計BAN的要求包括節(jié)點120的能量效率、可擴縮性(scalability)、集成、干擾減 輕、共存性、高服務質量(QoS)和安全性。高效的能耗可以通過最佳地在偵聽狀態(tài)與休眠狀 態(tài)之間分配接收器設備(即接收數(shù)據(jù)的設備)的占空比來實現(xiàn)。在休眠狀態(tài)下，設備的無線 電收發(fā)器關閉，從而節(jié)省能量。占空比分配由MAC協(xié)議執(zhí)行，其目的是最小化空閑偵聽、串 音、沖突和控制開銷。IEEE 802標準委員會形成了一族用于無線局域網(wǎng)和個人區(qū)域網(wǎng)的標準，例如 被設計用于無線局域網(wǎng)的IEEE 802. 11以及被設計用于無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的IEEE 802.15.4。這些協(xié)議中沒有一個是用于無線BAN的適當候選。例如，IEEE 802. 15. 4標準 定義了用于短距離傳輸?shù)腗AC協(xié)議，這受困于阻止該協(xié)議用于BAN中的若干限制。特別地，IEEE 802. 15. 4標準信標發(fā)送模式支持星型和樹狀網(wǎng)絡拓撲結構。網(wǎng)絡 協(xié)調器建立網(wǎng)絡并且變成樹的根。樹中的節(jié)點具有父母-孩子關系。典型地，數(shù)據(jù)在父母 與孩子之間傳輸。樹中的葉節(jié)點典型地不發(fā)送信標。這種傳輸模式由于單點故障的風險而 不適合于BAN應用。信標發(fā)送設備的活動期是事先固定的并且對于屬于網(wǎng)絡的所有信標發(fā)送設備都 相同。這可能導致超量供給和能量浪費或者欠量供給和有限的QoS。由于BAN設備的占空 比要求因設備且因時而變化，因而IEEE 802. 15. 4的固定占空比分配方法不適合于BAN。此外，在IEEE 802. 15. 4信標啟用模式中，網(wǎng)絡協(xié)調器可選地可以分配有限數(shù)量 (例如7個)的保證時隙，這些時隙典型地不足以提供用于BAN應用的希望的QoS水平。

發(fā)明內(nèi)容
至少出于上面描述的缺點，因此，有利的是提供一種為數(shù)據(jù)傳輸預留時隙并且在 設備之間傳輸數(shù)據(jù)以便支持BAN應用的不同要求的解決方案。本發(fā)明的特定實施例包括一種在身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)中的設備之間傳輸數(shù)據(jù)的方 法。該方法包括將對于BAN的無線介質的訪問時間劃分成至少基于競爭的時段和無競爭的預留時段；允許設備在基于競爭的時段期間使用本地優(yōu)先化競爭訪問(LPCA)機制傳輸數(shù) 據(jù)；以及僅僅允許具有預留的時隙的設備在無競爭的預留時段期間傳輸數(shù)據(jù)。本發(fā)明的特定實施例還包括為身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)中的主設備調度時隙預留請 求。該方法包括在當前時間輪期間從每個主設備接收預留請求，該預留請求至少包括要在 下一時間輪的超幀中分配的時隙的數(shù)量，其中該預留請求通過全局信標；以及通過在每個 超幀中連續(xù)地分配時隙來順序地調度用于預留的請求。在本說明書結尾的權利要求書中特別指出且清楚地聲明了視為本發(fā)明的主題。本 發(fā)明的前面的和其他的特征和優(yōu)點根據(jù)以下結合附圖進行的詳細描述將是清楚明白的。


圖1為身體區(qū)域網(wǎng)絡的示意圖。圖2示出了用來描述本發(fā)明的各個實施例的身體區(qū)域網(wǎng)絡的拓撲結構。圖3為時間輪的二維表示。圖4為通過順序地調度預留請求而導出的時間輪的二維組織。圖5為依照本發(fā)明實施例的用于說明超幀中的時隙分配的示圖。圖6A和圖6B為用于說明依照本發(fā)明實施例實現(xiàn)的主設備之間基于競爭的和基于 預留的數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖緢D。圖7A和圖7B為用于說明依照本發(fā)明實施例實現(xiàn)的從主設備到從設備的基于競爭 的和基于預留的數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖緢D。圖8A和圖8B為用于說明依照本發(fā)明實施例實現(xiàn)的從從設備到主設備的基于競爭 的和基于預留的數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖緢D。圖9A和圖9B為用于說明依照本發(fā)明實施例實現(xiàn)的從設備之間基于競爭的和基于 預留的數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖緢D。
具體實施例方式重要的是，應當注意本發(fā)明公開的實施例僅僅是本文的創(chuàng)新性教導的許多有利用 途的實例。通常，本申請的說明書中進行的陳述不一定限制了各個要求保護的發(fā)明中的任 何發(fā)明。而且，一些陳述可以適用于某些創(chuàng)造性特征，但不適用于其他特征。通常，除非另 有說明，單數(shù)元件可以是復數(shù)并且反之亦然而不失一般性。在附圖中，貫穿若干視圖，相似 的附圖標記表示相似的部件。圖2示出了用來描述本發(fā)明的各個實施例的身體區(qū)域網(wǎng)絡(ΒΑΝΜ00的拓撲結構。 BAN 200包括兩個層次的設備從設備210-1至210-S以及主設備220-1至220-M。典型 地，從設備210-1至210-S是可植入的、可吞咽的或者一次性的，并且以具有低能預算和有 限資源(例如處理能力、存儲容量)表征。另一方面，主設備220-1至220-M是可佩戴的，可 以頻繁地再充電并且因而具有比從設備更高的能量預算和更多的資源。主設備220-Z (其中Z為等于或大于1的整數(shù))管理一個或多個從設備210-G (其 中G為等于或大于1的整數(shù))。為此目的，主設備220-Z傳送用于同步、請求介質預留和宣 告廣播/組播的周期信標。基于周期信標交換的信息，主設備220-Z導出啟用QoS支持的 無沖突預留調度。此外，主設備220-Z檢測位于其傳送范圍內(nèi)的另一 BAN的存在性以便支持多個共定位的BAN的和諧共存，每個BAN可以潛在地執(zhí)行不同的應用。在圖2所示的拓撲結構中，所有主設備220-1至220-M使介質訪問同步，并且 使用分布式全局信標發(fā)送過程實施預留。在本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例中，將對于介質 的訪問劃分成固定且重復的持續(xù)時間輪，其中時間輪是被設計成包括預定義數(shù)量的超幀 (superframe)的數(shù)據(jù)結構，每個超幀包括固定數(shù)量的時隙。圖3示出了時間輪300的示例性且非限制性的二維表示。X軸表示每超幀的時隙， 并且Y軸表示每時間輪300的可用超幀。超幀是用來在主設備之間以及主設備和其對應從 設備之間交換信息的數(shù)據(jù)結構。主設備可以預留時隙，在所述時隙期間設備具有訪問介質(medium)的獨占權利。 時間輪中的預定義時隙被預留用于全局信標時段(GBP) 310。這樣的時隙用于傳送促進主 設備的周期性同步所需的全局信標。主設備偵聽全局信標時段310并且在其分配的時隙中 發(fā)送全局信標以便同步和交換介質預留請求。全局信標也用來發(fā)現(xiàn)鄰居和網(wǎng)絡拓撲結構， 提供QoS，并且調度消息的廣播或組播(multicast)。依照本發(fā)明的一個實施例，使用動態(tài)地構造且維持BAN中的主設備的邏輯樹拓撲 結構的調度方法傳送全局信標。因此，將全局信標時段劃分成兩個時間段上升時段(AP) 和下降時段(DP)。在AP期間，除了根設備之外的所有主設備在其對應時隙中以升序傳送其全局信 標，即孩子們在其父母之前傳送其全局信標。在AP期間，父母偵聽其孩子們的全局信標。 在DP期間，全局信標傳送的順序反過來，即父母在其孩子們之前傳送其全局信標。在該時 段中，孩子們偵聽其父母的全局信標。在AP期間，全局信息從孩子們傳遞至祖先(父母)。在AP結束時，根設備知道其在 DP期間分配給所有主設備的整個全局信息。因此，全局信標調度方法確保了屬于相同BAN 的所有主設備即使在它們彼此隱藏(不在直接通信范圍內(nèi))的情況下也接收該全局信息。在全局信標時段310結束時，所有主設備知道來自每一個其他主設備的預留請 求。在本發(fā)明的一個實施例中，只有修改的預留請求傳播到其他主設備。在沒有修改的預 留請求的情況下，保留最后輪的請求。依照本發(fā)明的特定原理，有關預留請求的全局信息用來導出子幀傳送的唯一、一 致且非重疊調度。子幀代表分配給主設備的連續(xù)時隙塊。根據(jù)該目的，每個主設備獨立地 調度子幀，但是達到無沖突預留的唯一且一致的調度。因此，所有主設備都知道其同等設備 子幀在下一輪中的位置。在本發(fā)明的一個實施例中，主設備執(zhí)行的調度方法包括只要足夠的時隙可用，則 順序地調度所有請求(例如基于MAC地址或者在先到先服務的基礎上)。當沒有足夠的時隙 可用于容納所有預留請求時，可以基于服務類別來優(yōu)先化請求。為下一時間輪收集預留請 求并且調度子幀在當前時間輪中執(zhí)行。作為非限制性實例，圖4示出了通過順序地調度預留請求而導出的時間輪400的 二維組織。時間輪400包括4個超幀410，并且從主設備接收的預留請求如表1中所列出 的。如圖4所示，超幀410中的時隙420依照每個主設備請求的時隙數(shù)量而被連續(xù)地預留。表 1
權利要求
1.一種用于在身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)中的設備之間傳輸數(shù)據(jù)的方法，該方法包括 將對于BAN的無線介質的訪問時間劃分成至少基于競爭的時段(510)和無競爭的預留時段(520)；允許設備在基于競爭的時段期間使用本地優(yōu)先化競爭訪問(LPCA)機制傳輸數(shù)據(jù)；以及僅僅允許具有預留的時隙的設備在無競爭的預留時段(520)期間傳輸數(shù)據(jù)。
2.權利要求1的方法，其中數(shù)據(jù)傳輸在主設備之間、在主設備和其對應從設備之間以 及在從設備之間進行。
3.權利要求2的方法，其中在基于競爭的時段期間將數(shù)據(jù)從第一主設備傳輸?shù)降诙?主設備包括使得第一主設備偵聽第二主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位第二主設備的基于 競爭的時段(610);以及使得第一主設備在第二主設備的基于競爭的時段期間爭用無線介質以便傳輸數(shù)據(jù)。
4.權利要求2的方法，其中在無競爭的預留時段期間將數(shù)據(jù)從第一主設備傳輸?shù)降?二主設備包括使得第一主設備偵聽第二主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位第二主設備的基于 競爭的時段(610);使得第一主設備在第二主設備的基于競爭的時段期間爭用無線介質以便傳輸預留請求；基于該預留請求在第二主設備的無競爭的預留時段內(nèi)將時隙(620)分配給第一主設備；使得第一主設備偵聽第二主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位分配的時隙； 允許第一主設備在分配的時隙(620)內(nèi)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降诙髟O備。
5.權利要求2的方法，其中在基于競爭的時段期間將數(shù)據(jù)從主設備傳輸?shù)綇脑O備包括使得從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位主設備的基于競爭的時段 (710 )，其中該本地信標指示用于從設備的懸掛消息；由從設備發(fā)送請求，來接收來自主設備的懸掛消息；以及在主設備的基于競爭的時段(710)期間將即來自主設備的懸掛消息傳輸?shù)綇脑O備。
6.權利要求2的方法，其中在無競爭的預留時段期間將數(shù)據(jù)從主設備傳輸?shù)綇脑O備 包括使得從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標，其中該本地信標至少包括有關要預留用于從 主設備到從設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙的信息； 由從設備確認時隙分配請求；在主設備的無競爭的預留時段內(nèi)分配用于從設備的時隙(720)； 使得從設備偵聽主設備的本地信標以便同步和定位分配用于從設備的時隙； 在分配的時隙(720)內(nèi)將數(shù)據(jù)從主設備傳輸?shù)綇脑O備。
7.權利要求2的方法，其中在基于競爭的時段期間將數(shù)據(jù)從從設備傳輸?shù)街髟O備包括使得從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位主設備的基于競爭的時段 (810)；以及使得從設備在主設備的基于競爭的時段(810)期間爭用無線介質以便傳輸數(shù)據(jù)。
8.權利要求2的方法，其中在無競爭的預留時段期間將數(shù)據(jù)從從設備傳輸?shù)街髟O備 包括使得從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位主設備的基于競爭的時段 (810)；在主設備的基于競爭的時段(810)期間將預留請求從從設備發(fā)送到主設備； 基于該預留請求在主設備的無競爭的預留時段內(nèi)將時隙(820)分配給從設備； 使得從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位分配的時隙； 在分配的時隙(820)內(nèi)將數(shù)據(jù)從從設備傳輸?shù)街髟O備。
9.權利要求2的方法，其中在基于競爭的時段期間將數(shù)據(jù)從第一從設備傳輸?shù)降诙?從設備包括使得第一從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位主設備的基于競爭的時 段(910);使得第一從設備在主設備的基于競爭的時段(910)期間爭用無線介質以便傳輸數(shù)據(jù)； 使得第二從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標，其中該本地信標指示用于第二從設備的 懸掛消息；由第二從設備發(fā)送請求來接收來自主設備的懸掛消息；以及在主設備的基于競爭的時段(910)期間將懸掛消息從主設備傳輸?shù)降诙脑O備。
10.權利要求9的方法，其中在無競爭的預留時段期間將數(shù)據(jù)從第一從設備傳輸?shù)降?二從設備包括使得第一從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位主設備的基于競爭的時 段(910);在主設備的基于競爭的時段(910)期間將預留請求從第一從設備發(fā)送到主設備； 使得第二從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標，其中該本地信標至少包括有關要預留用 于從第一從設備到第二從設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r隙的信息； 確認第二從設備的時隙分配請求； 在主設備的無競爭的預留時段內(nèi)分配時隙(920)；使得第一從設備和第二從設備偵聽主設備發(fā)送的本地信標以便同步和定位分配的時 隙；以及在分配的時隙(920)內(nèi)將數(shù)據(jù)從第一從設備傳輸?shù)降诙脑O備。
11.權利要求2的方法，其中無競爭的預留時段的持續(xù)時間依照分配的時隙的數(shù)量而 動態(tài)地變化，其中如果在預定義的時間間隔期間沒有接收到消息，則縮短基于競爭的訪問 時段的持續(xù)時間。
12.權利要求11的方法，其中預留的時隙可以由主設備解除分配。
13.權利要求2的方法，其中基于競爭的時段用于傳輸立即響應的數(shù)據(jù)。
14.一種用于為身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)中的主設備調度時隙預留請求的方法，包括在當前時間輪期間從每個主設備接收預留請求，該預留請求至少包括要在下一時間輪的超幀中分配的時隙的數(shù)量，其中該預留請求通過全局信標；以及 通過在每個超幀中連續(xù)地分配時隙來順序地調度用于預留的請求。
15.權利要求14的方法，其中時隙被預留用于主設備之間、主設備和其對應從設備之 間以及從設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。
全文摘要
一種在身體區(qū)域網(wǎng)絡(BAN)中的設備之間傳輸數(shù)據(jù)的方法。該方法包括將對于BAN的無線介質的訪問時間劃分成至少基于競爭的時段(510)和無競爭的預留時段(520)；允許設備在基于競爭的時段期間使用本地優(yōu)先化競爭訪問(LPCA)機制傳輸數(shù)據(jù)；以及僅僅允許具有預留的時隙的設備在無競爭的預留時段(520)期間傳輸數(shù)據(jù)。
文檔編號H04W16/14GK102119543SQ200980130912
公開日2011年7月6日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權日2008年8月11日
發(fā)明者M·D·帕特, R·陳 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司