專利名稱：無線體域網(wǎng)中自適應(yīng)低時延媒體接入控制方法
無線體域網(wǎng)中自適應(yīng)低時延媒體接入控制方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及媒體接入控制方法，具體地說是一種用于無線 體域網(wǎng)中的媒體接入控制方法，該方法在保證分組成功地接入信道的前提下，最大限度 地降低分組時延，和減少能量消耗。
背景技術(shù)：
無線體域網(wǎng)(WBAN，Wireless Body Area Network)是以人體周圍的設(shè)備，如隨身攜帶的傳感器、手表、PDA和手機(jī)等以及人體內(nèi)部植入設(shè)備等為對象的無線通信網(wǎng) 絡(luò)。在近距離無線通信領(lǐng)域，雖然存在無線個域網(wǎng)WPAN技術(shù)，但體域網(wǎng)這一概念將 近距離無線通信的傳輸距離規(guī)定得更短，將距離限定在人體周圍。體域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范 圍很廣，從生理信號采集，到人體計算交互、教育以及娛樂等都有應(yīng)用潛力，特別是由 于WBAN在人體周圍或者體表甚至體內(nèi)工作，能夠支持面向任何人的醫(yī)療和健康護(hù)理服 務(wù)，比如配置成一個人體傳感器網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程監(jiān)測患者生命特征從而實(shí)時監(jiān)測患者身體健 康狀況，所以這種技術(shù)在醫(yī)療應(yīng)用方面有著巨大潛力，可提供更加安全的醫(yī)療服務(wù)，并 降低醫(yī)療成本。
在國際標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會是致力于在無線通信領(lǐng)域推進(jìn)國際 標(biāo)準(zhǔn)的國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，其IEEE 802.15集中在WPAN方面。該工作組已制訂出多個 無線標(biāo)準(zhǔn)，比如IEEE 802.15.1，也被稱為Bluetooth，以及IEEE 802.15.4，定義的是低 速WPAN標(biāo)準(zhǔn)，用于Zigbee設(shè)備，IEEE 802.15.4a是對IEEE 802.15.4的物理層的補(bǔ) 充，使用的是超寬帶UWB技術(shù)等等。也有正在制訂過程中的標(biāo)準(zhǔn)，比如應(yīng)用毫米波 技術(shù)的高速WPAN標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.3c,適用于中國的IEEE 802.15.4c和日本的IEEE 802.15.4d，還有對 IEEE 802.15.4 的媒體接入控制(MAC，Medium Access Control)進(jìn)行 改善的IEEE802.15.4e。為了協(xié)調(diào)來自醫(yī)療和健康護(hù)理團(tuán)體的強(qiáng)烈愿望和ICT (Information Communication Technology)工業(yè)界，IEEE 802.15工作組正式建立了第6任務(wù)組TG6，致 力于WBAN的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
從MAC協(xié)議的角度看，Bluetooth和IEEE 802.11對于WBAN的應(yīng)用都顯得效率低下，而普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN也并不適合這些特殊的著重面向生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的 WBAN。作為低功耗低速率近距離無線通信的世界標(biāo)準(zhǔn)，IEEE 802.15.4因為協(xié)議簡單并 被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有短距離通信系統(tǒng)中，而且相當(dāng)接近WBAN對MAC協(xié)議的設(shè)計要求， 可以作為無線體域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的一種備選方案。
IEEE 802.15.4是用于低速無線個域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制層的規(guī)范，該標(biāo) 準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)中所有無線設(shè)備從功能上劃分成三類節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)、協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié) 點(diǎn)，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)為整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，并且每個IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)只能有一個網(wǎng) 絡(luò)協(xié)調(diào)點(diǎn)，協(xié)調(diào)點(diǎn)通常通過發(fā)送信標(biāo)實(shí)現(xiàn)與周圍節(jié)點(diǎn)的同步，且具有轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能， 普通節(jié)點(diǎn)只具有簡單的收發(fā)功能，不能進(jìn)行分組的轉(zhuǎn)發(fā)。全功能設(shè)備可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào) 點(diǎn)、協(xié)調(diào)點(diǎn)或普通節(jié)點(diǎn)，然而精簡功能設(shè)備只能充當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)。
該IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)支持星型網(wǎng)和對等網(wǎng)兩種基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無論采用 哪類網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)均可以采用信標(biāo)使能模式或無信標(biāo)使能模式。如果網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中存 在周期性發(fā)送信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，則稱該網(wǎng)絡(luò)為信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，否則稱其為無信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)。 無信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)沒有周期性發(fā)送信標(biāo)的節(jié)點(diǎn)，但普通節(jié)點(diǎn)仍然可以向其協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)出信標(biāo) 請求命令，此時協(xié)調(diào)點(diǎn)以單播的形式向該普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送信標(biāo)。該標(biāo)準(zhǔn)共定義了四種MAC 幀結(jié)構(gòu)，即信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、MAC命令幀和應(yīng)答幀。其中，信標(biāo)幀能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)調(diào)點(diǎn)與周 圍節(jié)點(diǎn)間的同步并對超幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的描述，同時普通節(jié)點(diǎn)可以通過信標(biāo)幀識別各個 網(wǎng)絡(luò)。在該標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)據(jù)有三種不同的傳輸模式，即普通節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)點(diǎn)、協(xié)調(diào)點(diǎn)到普通 節(jié)點(diǎn)以及對等節(jié)點(diǎn)間的業(yè)務(wù)傳輸，而根據(jù)不同的業(yè)務(wù)處理方式，節(jié)點(diǎn)間通信可以分成三 類，即直接傳輸、間接傳輸和保證時隙GTS中的傳輸。
在信標(biāo)使能模式中，IEEE 802.15.4采用的超幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。該超幀結(jié)構(gòu) 將時間劃分成等間隔的周期，該周期由協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)幀界定，并且通常由激活期 Active和非激活期:Inactive兩部分構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)在激活期進(jìn)行業(yè)務(wù)的交互，在非激活期則 轉(zhuǎn)為低功耗模式。激活期通常分為16個等長的超幀時隙，信標(biāo)必須在超幀第一個時隙即 0時隙的起始時刻發(fā)送。超幀的競爭期CAP緊接信標(biāo)幀，并可延續(xù)到整個激活期結(jié)束。 如果普通節(jié)點(diǎn)有對實(shí)時業(yè)務(wù)的需求，可向協(xié)調(diào)點(diǎn)申請GTS時隙，每個GTS時隙可以占據(jù) 若干個超幀時隙，多個GTS時隙形成非競爭期CFP，非競爭期緊接競爭期，并且一直延 續(xù)到激活期結(jié)束，協(xié)調(diào)點(diǎn)最多可以分配7個GTS時隙。節(jié)點(diǎn)在競爭期中的通信采用時隙 CSMA/CA的機(jī)制接入信道，而在非競爭期中直接進(jìn)行通信。超幀的長度BI是由信標(biāo)級 數(shù)BO決定的，而激活期長度SD是由超幀級數(shù)SO決定的。在CAP時期，新的節(jié)點(diǎn)想 加入網(wǎng)絡(luò)是通過時隙CSMA/CA機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，并且所有基于競爭的業(yè)務(wù)在CFP開始之前 都會結(jié)束。除了基于時隙CSMA/CA機(jī)制的傳輸，在信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，還采用保證時隙來 滿足實(shí)時業(yè)務(wù)的傳輸。
在IEEE 802.15.4協(xié)議中，GTS分配的實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。普通節(jié)點(diǎn)有實(shí)時業(yè) 務(wù)的需求時，該節(jié)點(diǎn)會在當(dāng)前超幀的CAP時期向協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送GTS請求，在收到GTS請求 命令時，協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行可選的應(yīng)答確認(rèn)ACK，然后檢查在當(dāng)前的超幀中是否有可供分配的 GTS時隙資源，在資源足夠的條件下，協(xié)調(diào)點(diǎn)將該節(jié)點(diǎn)的GTS分配信息放入下一個超幀 的信標(biāo)中進(jìn)行廣播，以通知全部發(fā)送GTS請求的普通節(jié)點(diǎn)。請求GTS時隙的普通節(jié)點(diǎn) 在GTS請求發(fā)送成功后，處于等待狀態(tài)，直到收到含有其自身GTS分配信息的信標(biāo)，隨 后在該信標(biāo)所在超幀的成功分配給普通節(jié)點(diǎn)自身的GTS時隙中開始傳輸數(shù)據(jù)。
當(dāng)IEEE 802.15.4用于WBAN時，由于超幀結(jié)構(gòu)中CFP的引入，保證了實(shí)時業(yè)務(wù) 的低時延特性，而且非激活期也有利于降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗，但該標(biāo)準(zhǔn)仍然存在以下 兩方面的不足
(1)在IEEE 802.15.4協(xié)議中，一個超幀內(nèi)GTS分配數(shù)量最多為7個，且在當(dāng)前超 幀內(nèi)激活期和非激活期長度均固定不變，這樣設(shè)計不足之處在于如果當(dāng)前超幀CAP時 期沒有GTS業(yè)務(wù)請求，則競爭期占據(jù)整個激活期，協(xié)調(diào)點(diǎn)不能及時休眠，增加了能耗； 而當(dāng)超幀的CAP時期有大量GTS業(yè)務(wù)請求時，CFP時期又不能同時容納大量的GTS業(yè) 務(wù)，即IEEE 802.15.4協(xié)議中無法通過GTS時隙的動態(tài)分配來實(shí)現(xiàn)對GTS業(yè)務(wù)的靈活支 持。
(2)IEEE 802.15.4協(xié)議在GTS時隙發(fā)送數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)過程中，盡管節(jié)點(diǎn)的GTS請 求在當(dāng)前超幀的CAP內(nèi)可能已經(jīng)競爭成功，但由于GTS的時隙分配信息需要在下一個超 幀的信標(biāo)中進(jìn)行廣播，所以在當(dāng)前超幀的CFP時期，節(jié)點(diǎn)不能及時傳輸分組，而必須等 到下一個超幀的CFP時期才能進(jìn)行傳輸，這樣無疑增加了 GTS分組的時延。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述IEEE 802.15.4協(xié)議的不足，提出一種無線體域網(wǎng)中 自適應(yīng)低時延媒體接入控制方法，實(shí)現(xiàn)對GTS業(yè)務(wù)的自適應(yīng)靈活支持，減小GTS分組的 傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗，并提高無線體域網(wǎng)的可靠性。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是在本發(fā)明的超幀結(jié)構(gòu)中固定CAP時期長度，而 CFP時期的長度和非激活期長度根據(jù)當(dāng)前超幀中GTS業(yè)務(wù)量自適應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)根據(jù)GTS 業(yè)務(wù)情況對GTS時隙進(jìn)行動態(tài)分配，克服IEEE 802.15.4中GTS時隙數(shù)最多為7的限制， 從而實(shí)現(xiàn)對GTS業(yè)務(wù)的自適應(yīng)靈活支持和降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗。本發(fā)明通過在超幀結(jié)構(gòu) 中，增加一個通知幀時隙，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前超幀發(fā)送GTS請求的節(jié)點(diǎn)便可以在當(dāng)前超幀中獲得 GTS時隙分配信息，并在當(dāng)前超幀的擴(kuò)展CFP時期發(fā)送GTS業(yè)務(wù)，從而減小GTS分組的 時延。具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下
(1)協(xié)調(diào)點(diǎn)在超幀開始時廣播發(fā)送信標(biāo)幀，其中包括超幀長度、競爭期長度、通 知幀時隙這些協(xié)議參數(shù)，各普通節(jié)點(diǎn)接收到該信標(biāo)幀后，將所有協(xié)議參數(shù)記錄在本地緩 存中；
(2)若普通節(jié)點(diǎn)有保證時隙需求，則在競爭期通過時隙載波偵聽多址接入沖突避 免機(jī)制接入信道，并向協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送保證時隙請求，協(xié)調(diào)點(diǎn)收到該請求后向普通節(jié)點(diǎn)回復(fù) 確認(rèn)幀予以確認(rèn)，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中能用的保證時隙資源對該請求分配保證時隙；
(3)競爭期結(jié)束后所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入非競爭期，若普通節(jié)點(diǎn)有保證時隙業(yè)務(wù)需要發(fā) 送，并在當(dāng)前超幀之前已成功獲得保證時隙分配，則在當(dāng)前超幀的非競爭期的相應(yīng)時隙 與協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行保證時隙業(yè)務(wù)交互，若普通節(jié)點(diǎn)無保證時隙業(yè)務(wù)或未獲得保證時隙分配， 則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠；
(4)非競爭期結(jié)束后，協(xié)調(diào)點(diǎn)在通知幀時隙廣播發(fā)送通知幀，該通知幀中包含協(xié) 調(diào)點(diǎn)對保證時隙請求的時隙分配信息，所有普通節(jié)點(diǎn)接收該通知幀，并記錄各自的保證 時隙分配信息；
(5)協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送完通知幀之后，所有普通節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)入擴(kuò)展非競爭期，若普 通節(jié)點(diǎn)已獲得保證時隙分配，則該普通節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)時隙完成與協(xié)調(diào)點(diǎn)之間的保證時隙業(yè) 務(wù)交互，否則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；
(6)擴(kuò)展非競爭期結(jié)束后，所有普通節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)入非激活期，并在該時期進(jìn) 入休眠休眠狀態(tài)；
(7)非激活期結(jié)束后，所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個超幀，并轉(zhuǎn)入步驟 ⑴。
本發(fā)明與IEEE 802.15.4協(xié)議相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
1)本發(fā)明采用GTS時隙的動態(tài)分配，如果當(dāng)前超幀的CAP時期內(nèi)沒有GTS請 求，則當(dāng)前超幀的CFP長度為零，此時超幀的激活期長度較短，其長度為信標(biāo)幀和CAP長度之和，且非激活期較長，這樣與IEEE 802.15.4協(xié)議相比節(jié)省了能耗；而在超幀的 CAP時期有較多的GTS請求時，本發(fā)明可以擴(kuò)展非激活期，相比IEEE 802.15.4，可以分 配更多的GTS時隙，非競爭期將動態(tài)延長直至整個超幀結(jié)束，非激活期相應(yīng)縮短直至為 零，從而突破IEEE 802.15.4中對于GTS時隙數(shù)為7的限制，增加無線體域網(wǎng)對GTS業(yè)務(wù) 的支持能力，可滿足有較多GTS業(yè)務(wù)時的需求，通過GTS時隙的動態(tài)分配來實(shí)現(xiàn)對GTS 業(yè)務(wù)的自適應(yīng)支持。
2)本發(fā)明中的GTS時隙分配信息由協(xié)調(diào)點(diǎn)通過廣播通知幀實(shí)現(xiàn)，在協(xié)調(diào)點(diǎn)快速 響應(yīng)GTS請求的情況下，當(dāng)前超幀的CFP的長度完全由當(dāng)前超幀中GTS請求的數(shù)量決 定，在當(dāng)前超幀的競爭期內(nèi)請求GTS成功的節(jié)點(diǎn)，可以立刻在當(dāng)前超幀的CFP時期傳輸 數(shù)據(jù)，從而減小了 GTS分組的時延。
3)本發(fā)明中的信標(biāo)幀由于不包含時隙分配信息，從而相對于IEEE 802.15.4總的 信標(biāo)幀長度更短，可以提高信標(biāo)幀在時變信道下被成功接收的概率，特別有益于提高無 線體域網(wǎng)的可靠性。


圖1是IEEE 802.15.4中的超幀結(jié)構(gòu)示意圖2是IEEE 802.15.4中GTS分配的實(shí)現(xiàn)過程示意圖3是本發(fā)明的流程圖4是本發(fā)明使用的超幀結(jié)構(gòu)示意圖5是本發(fā)明使用的信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明使用的通知幀結(jié)構(gòu)示意圖7是本發(fā)明仿真中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明與IEEE 802.15.4協(xié)議仿真對比結(jié)果顯示示意圖。
具體實(shí)施方式
假設(shè)采用的網(wǎng)絡(luò)模型為星型網(wǎng)絡(luò)，所有普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)都發(fā)往位于網(wǎng)絡(luò)中心的 協(xié)調(diào)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)采用信標(biāo)使能模式；所有普通節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)均通過保證時隙傳輸。其具體實(shí) 施步驟參照圖3，描述如下
步驟1，發(fā)送信標(biāo)幀。
本發(fā)明的超幀結(jié)構(gòu)如圖4所示，在超幀開始時，協(xié)調(diào)點(diǎn)構(gòu)造信標(biāo)幀，其幀 結(jié)構(gòu)如圖5所示，該信標(biāo)幀是在IEEE 802.15.4中信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，即剔除 GTSSpecification、GTS Direction、GTS List 參數(shù)，該幀結(jié)構(gòu)在信標(biāo)幀的 Beacon Payload中包含超幀長度、競爭期長度、通知幀時隙協(xié)議參數(shù)；之后，協(xié)調(diào)點(diǎn)將該信標(biāo)幀以廣播 方式發(fā)送，普通節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀后，讀取其中的超幀長度、競爭期長度、通知幀時隙 這些協(xié)議參數(shù)，并記錄在本地緩存中。因為本發(fā)明的信標(biāo)幀中不包含GTS的時隙分配信 息，與IEEE 802.15.4中的信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)相比，縮短了信標(biāo)幀的長度，提高了信標(biāo)幀在時變 信道下被成功接收的概率，從而提高了無線體域網(wǎng)的可靠性。
步驟2，GTS請求的發(fā)送過程和動態(tài)GTS時隙分配過程。
協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送完信標(biāo)幀之后，所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入圖4所示的CAP時期，該時期各節(jié)點(diǎn)均通過時隙CSMA/CA機(jī)制接入信道并傳輸數(shù)據(jù)。
若普通節(jié)點(diǎn)既沒有發(fā)送業(yè)務(wù)也沒有接收業(yè)務(wù)，則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，若 普通節(jié)點(diǎn)的發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過保證時隙傳輸，則普通節(jié)點(diǎn)在該時期通過時隙CSMA/CA 競爭接入信道，并向協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送GTS請求，該請求中包含了普通節(jié)點(diǎn)欲申請的GTS時隙 數(shù)量，協(xié)調(diào)點(diǎn)成功接收到GTS請求后向發(fā)送節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK予以確認(rèn)。收到GTS請求 后，協(xié)調(diào)點(diǎn)根據(jù)普通節(jié)點(diǎn)欲申請的GTS時隙數(shù)，并綜合當(dāng)前超幀中可供分配的GTS時隙 數(shù)目，對當(dāng)前GTS請求分配GTS時隙。在本發(fā)明的GTS時隙分配中，協(xié)調(diào)點(diǎn)在本地保 存一個矢量V，用以記錄超幀中已分配的GTS時隙，在收到GTS請求命令時，協(xié)調(diào)點(diǎn)自 非競爭期的第一個時隙至超幀結(jié)束時隙，遍歷每個超幀時隙，直至找到某個時隙區(qū)間的 長度等于普通節(jié)點(diǎn)申請的GTS數(shù)，并且該時隙區(qū)間中的每個時隙都不在矢量V中，則將 該時隙區(qū)間分配給該普通節(jié)點(diǎn)，若未找到滿足上述條件的時隙區(qū)間，則對該GTS請求不 予分配GTS時隙。
在本發(fā)明的超幀設(shè)計中，超幀長度和競爭期長度均為協(xié)議參數(shù)，在一個超幀內(nèi) 是固定的，并由協(xié)調(diào)點(diǎn)通過廣播信標(biāo)幀通知全部普通節(jié)點(diǎn)，這意味著在每個超幀中競爭 期和非競爭期的分界線固定不變，又因為在一個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中超幀長度固定，所以非 競爭期和非激活期的長度之和固定不變。對于當(dāng)前超幀內(nèi)通過GTS請求競爭發(fā)送成功并 申請到GTS時隙的節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)點(diǎn)通過廣播通知幀告知普通節(jié)點(diǎn)GTS時隙分配結(jié)果，并通 過壓縮非激活期以擴(kuò)展非競爭期的長度，這意味著激活期和非激活期之間的分界線因為 非競爭期長度的動態(tài)調(diào)整而動態(tài)變化。上述設(shè)計實(shí)現(xiàn)了當(dāng)超幀的CAP時期沒有GTS請求 時，激活期長度最小，最小值為信標(biāo)幀和CAP兩者長度的總和，從而有助于減少協(xié)調(diào)點(diǎn) 的能耗；而當(dāng)超幀的CAP時期有密集GTS業(yè)務(wù)請求時，激活期長度可動態(tài)擴(kuò)展，最大值 為整個超幀長度，突破IEEE 802.15.4中GTS時隙最多為7的限制，從而容納更多的GTS 業(yè)務(wù)。
步驟3，非競爭期中GTS業(yè)務(wù)傳輸。
競爭期結(jié)束后，所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入非競爭期，所有普通節(jié)點(diǎn)根據(jù)已分 配的GTS時隙啟動計時器進(jìn)行定時，以便在相應(yīng)的GTS時隙喚醒并打開發(fā)送天線或接收 天線，完成與協(xié)調(diào)點(diǎn)之間GTS業(yè)務(wù)的傳輸，若普通節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)送GTS業(yè)務(wù)和接收GTS業(yè) 務(wù)，或者普通節(jié)點(diǎn)有GTS業(yè)務(wù)但未獲得相應(yīng)的GTS時隙分配，則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀 態(tài)。
步驟4，協(xié)調(diào)點(diǎn)通過發(fā)送通知幀廣播時隙分配結(jié)果。
非競爭期結(jié)束后，所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入通知幀時隙，在該時隙協(xié)調(diào)點(diǎn)廣 播發(fā)送通知幀通知擴(kuò)展非競爭期的時隙分配結(jié)果，通知幀的幀格式如圖6所示，該通知 幀的幀格式在媒體接入控制層負(fù)載中僅含有保證時隙的分配信息，即GTS Specification, GTS Direction, GTS List,所有普通節(jié)點(diǎn)接收該通知幀，若普通節(jié)點(diǎn)的地址出現(xiàn)在通知幀 地址列表中，則該普通節(jié)點(diǎn)記錄分配的GTS開始時隙及時隙長度。
本發(fā)明中通知幀時隙位于全部已有GTS時隙之后，即非競爭期之后的第一個超 幀時隙，協(xié)調(diào)點(diǎn)在發(fā)送完通知幀后，根據(jù)當(dāng)前已分配的GTS時隙計算下一個超幀的通知 幀時隙，并將該參數(shù)放入下一個超幀的信標(biāo)幀中，通過廣播發(fā)送信標(biāo)幀通知給所有普通 節(jié)點(diǎn)。頁
在現(xiàn)實(shí)情況中，協(xié)調(diào)點(diǎn)對于GTS請求分組的響應(yīng)速度快慢不一，具體取決于協(xié) 調(diào)點(diǎn)的硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。在快速響應(yīng)情況下，協(xié)調(diào)點(diǎn)可以在當(dāng)前超幀的通知幀時隙響應(yīng) GTS分配請求，但如果協(xié)調(diào)點(diǎn)能力有限，不能及時在當(dāng)前超幀的通知幀時隙響應(yīng)GTS分 配請求而通知節(jié)點(diǎn)GTS分配結(jié)果，則類似于IEEE 802.15.4，協(xié)調(diào)點(diǎn)將在下一個超幀或者 后續(xù)超幀中的通知幀時隙廣播GTS分配結(jié)果，而具體在哪個超幀則取決于協(xié)調(diào)點(diǎn)的實(shí)際 響應(yīng)時間。
步驟5，擴(kuò)展非競爭期的GTS業(yè)務(wù)傳輸。
通知幀時隙結(jié)束后，所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入擴(kuò)展非競爭期，該時期內(nèi)若普 通節(jié)點(diǎn)已獲得GTS時隙分配，則啟動計時器，并在定時到相應(yīng)時隙時打開發(fā)送天線或接 收天線，完成與協(xié)調(diào)點(diǎn)之間GTS業(yè)務(wù)的傳輸，若普通節(jié)點(diǎn)無GTS業(yè)務(wù)或者未獲得GTS時 隙分配，則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)。
步驟6，擴(kuò)展非競爭期結(jié)束后所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入非激活期，該期間所有 以上節(jié)點(diǎn)關(guān)閉發(fā)送天線和接收天線，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，以便節(jié)省能耗。
步驟7，非激活期結(jié)束后所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個超幀，并轉(zhuǎn)入步驟 1。
本發(fā)明的效果可通過以下仿真說明
1.仿真環(huán)境
仿真基于平臺MIRAI-SF，該平臺由 NICT (National Institute of Information and Communications Technology)開發(fā)。仿真中采用的網(wǎng)絡(luò)模型如圖7所示，為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中有一個協(xié)調(diào)點(diǎn)，多個普通節(jié)點(diǎn)，普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送速率為5kbps的GTS數(shù)據(jù)業(yè) 務(wù)，該業(yè)務(wù)持續(xù)時間為加，GTS分組長度為kbytes，仿真時間為30s，仿真中普通節(jié)點(diǎn) 的個數(shù)從1增加到10，仿真中采用的其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表1所示，仿真中所采用的能耗模型 如表2所示。
表1仿真參數(shù)表
參數(shù)取值信道速率250 kbps超幀時隙數(shù)32時隙持續(xù)時間1920 symbols符號時間16 μβ每字節(jié)包含的物理層符號數(shù)2MAC幀最大重復(fù)次數(shù)3數(shù)據(jù)發(fā)送速率5 kbpsMAC幀的數(shù)據(jù)負(fù)載38 bytes信標(biāo)級數(shù)6超幀級數(shù)(ffiEE 802.15.4中)5本發(fā)明CAP時隙數(shù)6 slots緩存大小協(xié)調(diào)點(diǎn)2000 kbytes終端設(shè)備20 kbytes仿真開始時間0 s仿真結(jié)束時間30 s
表2能量模型參數(shù)表
工作狀態(tài)功率發(fā)送36.5mW接收41.4mW非激活(休眠)42 μ W
2.仿真內(nèi)容
對GTS分組的時延、協(xié)調(diào)點(diǎn)能耗、普通節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)吞吐量這些性能指標(biāo)進(jìn) 行仿真，其結(jié)果如圖8所示，其中圖8(a)為GTS業(yè)務(wù)分組平均時延意圖，圖8(b)為協(xié) 調(diào)點(diǎn)能耗示意圖，圖8(c)為普通節(jié)點(diǎn)能耗示意圖，圖8(d)為網(wǎng)絡(luò)吞吐量示意圖。
3.仿真結(jié)果分析
從圖8(a)中可以看出，本發(fā)明中GTS分組的時延更短，原因是本發(fā)明中的GTS 請求最快能在當(dāng)前超幀中得到響應(yīng)并分配時隙，從而使得分組可在當(dāng)前超幀中傳輸，進(jìn) 而減小時延。而該圖8 (a)中另一個結(jié)果是協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在分配GTS時隙時，由于響應(yīng)時間不 同導(dǎo)致的時延也有差別，從圖8(a)中可以看出，當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)響應(yīng)GTS請求時間為IOOms時 GTS分組的時延更短，原因是普通節(jié)點(diǎn)的GTS請求能在本超幀得到處理，并且協(xié)調(diào)點(diǎn)在 通知幀中廣播分配結(jié)果，于是普通節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)分組能在通知幀后的相應(yīng)時隙得到傳輸； 而當(dāng)響應(yīng)時間為1000ms時，時隙分配結(jié)果須在下一個超幀的通知幀中廣播，從而最終導(dǎo) 致響應(yīng)時間為IOOOms時的分組時延更長。同時可以看出，IEEE 802.15.4協(xié)議中的分組時 延在節(jié)點(diǎn)數(shù)增至7以后急劇增加，原因是在IEEE802.15.4協(xié)議中最多可以分配7個GTS時 隙，當(dāng)CFP業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)數(shù)大于該值后，后續(xù)節(jié)點(diǎn)的GTS請求被拒絕，從而導(dǎo)致這些后續(xù)節(jié) 點(diǎn)的業(yè)務(wù)分組被緩存，直至超幀中有時隙可以分配。而本發(fā)明中充分利用了非激活期， 并最多可以分配26個GTS時隙，因此在整個仿真過程中不存在節(jié)點(diǎn)的GTS請求被拒絕而 發(fā)生業(yè)務(wù)分組緩存時間過長的現(xiàn)象，從而比IEEE 802.15.4中方法得到的時延更小。
從圖8 (b)中可以看出，本發(fā)明中協(xié)調(diào)點(diǎn)的能耗相比IEEE 802.15.4協(xié)議中協(xié)調(diào)點(diǎn) 的能耗更低，主要原因是本發(fā)明中采用的CAP固定占用為6個時隙，而IEEE802.15.4協(xié) 議中的CAP長度不固定，當(dāng)CFP業(yè)務(wù)最多占用7時隙時CAP長度最短，為9個時隙，而 在無CFP業(yè)務(wù)時CAP的時間長度最大可為近16時隙，由于協(xié)調(diào)點(diǎn)在超幀激活期內(nèi)保持激 活無法休眠，從而最終導(dǎo)致IEEE 802.15.4協(xié)議的協(xié)調(diào)點(diǎn)能耗更高。
從圖8(c)中可以看出，本發(fā)明中普通節(jié)點(diǎn)的能耗與IEEE 802.15.4協(xié)議的普通能 耗相比差別不大，這是由于所有普通節(jié)點(diǎn)都是在有業(yè)務(wù)情況下激活，而在超幀內(nèi)的其余 時間休眠，這也驗證了本發(fā)明中的方法并不是以節(jié)點(diǎn)能耗的增加為代價而得到分組時延 性能提高的。
從圖8(d)中可以看出，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增加，網(wǎng)絡(luò)中的GTS業(yè)務(wù)分組隨之增 加，從而吞吐量也隨之增加，而在IEEE 802.15.4協(xié)議中在普通節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到7時，分 配的GTS時隙數(shù)達(dá)到飽和，從而吞吐量不再增加。本發(fā)明中，當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)的響應(yīng)時間為IOOms時，其吞吐量相比IEEE 802.15.4協(xié)議更高，因為普通節(jié)點(diǎn)的GTS請求及時得到處 理，并在當(dāng)前超幀中可以傳輸業(yè)務(wù)分組，而在IEEE 802.15.4協(xié)議中，該GTS請求卻必須 等到下一個超幀才可以傳輸，所以本發(fā)明比IEEE 802.15.4協(xié)議的吞吐量更高；而在協(xié)調(diào) 點(diǎn)的響應(yīng)時間為IOOOms時，本發(fā)明的吞吐量與IEEE 802.15.4協(xié)議的吞吐量相近，這是因 為在響應(yīng)時間為1000ms時，普通節(jié)點(diǎn)的GTS請求在下一個超幀得到處理，且普通節(jié)點(diǎn)在 下一個超幀中才能傳輸業(yè)務(wù)分組，從而吞吐量與IEEE802.15.4協(xié)議相近，但由于本發(fā)明 可以擴(kuò)展非競爭期持續(xù)進(jìn)行CFP業(yè)務(wù)傳輸，所以吞吐量在節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到7以后持續(xù)增加。
綜上，本發(fā)明與IEEE 802.15.4協(xié)議相比，在GTS分組的時延、協(xié)調(diào)點(diǎn)能耗、普 通節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)吞吐量這些指標(biāo)方面性能更好，即本發(fā)明克服了 IEEE 802.15.4GTS分 組時延較長、協(xié)調(diào)點(diǎn)能耗較高和網(wǎng)絡(luò)吞吐量較低的不足，從而更加適用于無線體域網(wǎng)。
術(shù)語說明
WBAN無線體域網(wǎng)
PDA個人掌上電腦
WPAN無線個域網(wǎng)
IEEE美國電氣和電子工程師協(xié)會
Bluetooth 藍(lán)牙
Zigbee紫蜂
UWB超寬帶
MAC媒體接入控制
ICT信息通信技術(shù)
WSN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
GTS保證時隙
Active激活期
Inactive非激活期
CAP競爭期
CFP非競爭期
CSMA/CA載波偵聽多址接入沖突避
BI信標(biāo)間隔
BO信標(biāo)級數(shù)
SD激活期長度
SO超幀級數(shù)
ACK確認(rèn)幀
Beacon信標(biāo)中貞
Beacon Payload信標(biāo)中貞負(fù)載
GTS Specification保證時隙描述
GTS Direction保證時隙方向
GTS List保證時隙列表。
權(quán)利要求
1.一種無線體域網(wǎng)中自適應(yīng)低時延媒體接入控制方法，包括如下步驟(1)協(xié)調(diào)點(diǎn)在超幀開始時廣播發(fā)送信標(biāo)幀，其中包括超幀長度、競爭期長度、通知 幀時隙這些協(xié)議參數(shù)，各普通節(jié)點(diǎn)接收到該信標(biāo)幀后，將所有協(xié)議參數(shù)記錄在本地緩存 中；(2)若普通節(jié)點(diǎn)有保證時隙需求，則在競爭期通過時隙載波偵聽多址接入沖突避免機(jī) 制接入信道，并向協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送保證時隙請求，協(xié)調(diào)點(diǎn)收到該請求后向普通節(jié)點(diǎn)回復(fù)確認(rèn) 幀予以確認(rèn)，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中可用的保證時隙資源對該請求分配保證時隙；(3)競爭期結(jié)束后所有節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入非競爭期，若普通節(jié)點(diǎn)有保證時隙業(yè)務(wù)需要發(fā) 送，并在當(dāng)前超幀之前已成功獲得保證時隙分配，則在當(dāng)前超幀的非競爭期的相應(yīng)時隙 與協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行保證時隙業(yè)務(wù)交互，若普通節(jié)點(diǎn)無保證時隙業(yè)務(wù)或未獲得保證時隙分配， 則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠；(4)非競爭期結(jié)束后，協(xié)調(diào)點(diǎn)在通知幀時隙廣播發(fā)送通知幀，該通知幀中包含協(xié)調(diào)點(diǎn) 對保證時隙請求的時隙分配信息，所有普通節(jié)點(diǎn)接收該通知幀，并記錄各自的保證時隙 分配信息；(5)協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)送完通知幀之后，所有普通節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)入擴(kuò)展非競爭期，若普通節(jié) 點(diǎn)已獲得保證時隙分配，則該普通節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)時隙完成與協(xié)調(diào)點(diǎn)之間的保證時隙業(yè)務(wù)交 互，否則該普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；(6)擴(kuò)展非競爭期結(jié)束后，所有普通節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)入非激活期，并在該時期進(jìn)入休 眠休眠狀態(tài)；(7)非激活期結(jié)束后，所有協(xié)調(diào)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)入下一個超幀，并轉(zhuǎn)入步驟(1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線體域網(wǎng)媒體接入控制方法，其中步驟(1)所述的信 標(biāo)幀，是在IEEE 802.15.4中信標(biāo)幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)，即剔除GTSSpecification、GTS Direction、GTS List參數(shù)，并在信標(biāo)幀中添加通知幀時隙參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線體域網(wǎng)媒體接入控制方法，其中步驟(2)所述的協(xié)調(diào)點(diǎn) 根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中可用的保證時隙資源對該請求分配保證時隙，是由協(xié)調(diào)點(diǎn)根據(jù)普通節(jié)點(diǎn) 欲申請保證時隙數(shù)，從非競爭期的第一個時隙至超幀結(jié)束時隙，遍歷每個超幀時隙，直 至找到可供分配的時隙區(qū)間；若未找到可供分配區(qū)間，則拒絕給該普通節(jié)點(diǎn)分配保證時 隙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線體域網(wǎng)媒體接入控制方法，其中步驟(4)所述的通知幀 時隙，是一個超幀時隙，該時隙位于非競爭期之后的第一個超幀時隙，協(xié)調(diào)點(diǎn)在發(fā)送完 通知幀之后計算下一個超幀中的通知幀時隙位置，并在下一個超幀的信標(biāo)幀中添加通知 幀時隙參數(shù)，通過廣播信標(biāo)幀通知給所有普通節(jié)點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線體域網(wǎng)媒體接入控制方法，其中步驟(4)所述的通知 幀，是由協(xié)調(diào)點(diǎn)在通知幀中加入保證時隙分配信息，并通過廣播發(fā)送通知幀將時隙分配 信息通知給所有普通節(jié)點(diǎn)，在該通知幀的媒體接入控制層負(fù)載中僅含有保證時隙的分配 信息，即 GTS Specification、GTS Direction、GTS List。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線體域網(wǎng)中自適應(yīng)低時延媒體接入控制方法，主要解決IEEE 802.15.4應(yīng)用于無線體域網(wǎng)時存在的GTS時隙無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)分配和保證時隙業(yè)務(wù)時延較大的問題。其實(shí)現(xiàn)步驟包括協(xié)調(diào)點(diǎn)在競爭期接收普通節(jié)點(diǎn)的GTS請求，通過壓縮非激活期以擴(kuò)展非競爭期，并根據(jù)GTS請求的數(shù)量動態(tài)分配GTS時隙；已獲得GTS時隙普通節(jié)點(diǎn)在非競爭期完成與協(xié)調(diào)點(diǎn)的GTS業(yè)務(wù)傳輸；協(xié)調(diào)點(diǎn)在非競爭期之后的通知幀時隙廣播發(fā)送通知幀，通知普通節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展非競爭期的時隙分配；獲得GTS時隙普通節(jié)點(diǎn)在擴(kuò)展非競爭期完成與協(xié)調(diào)點(diǎn)的GTS業(yè)務(wù)傳輸。本發(fā)明與IEEE 802.15.4相比能夠?qū)崿F(xiàn)GTS時隙的自適應(yīng)分配、降低GTS業(yè)務(wù)分組的時延和減少協(xié)調(diào)點(diǎn)能量消耗，可適用于無線體域網(wǎng)。
文檔編號H04W4/06GK102026099SQ20101054601
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者劉永俊, 張坤, 李建東, 李長樂, 武倩倩, 王玲玲, 郝彬彬 申請人:西安電子科技大學(xué)