[發明專利]一種實現MAC層接入的方法及傳感器節點

在審

• 申請號: 201410649447.1
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN105656806A
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 袁斌;郭陽;劉靜;李明;王新兵
• 申請（專利權）人: 中興通訊股份有限公司
• 主分類號: H04L12/863
• 分類號: H04L12/863;H04W84/18
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司 11262
• 代理人: 張建秀;李丹

技術領域

本發明涉及無線體域網技術，尤指一種實現媒體訪問控制(MAC)層接 入的方法及傳感器節點。

背景技術

在如今大數據時代的大背景下，一系列基于大數據的應用給工程、商業 乃至醫療領域帶來了新的挑戰和機遇。在這場數據革命中，隨著無線通信和 半導體技術的快速發展，用于人體生理信息采集的無線傳感器變得日益小巧 實用，這使得無線傳感器所采集到的人體生理信息呈現出爆炸式的增長。這 些海量的非結構化數據給由各種適用于人體的傳感器所組成的無線體域網帶 來了新的挑戰。

無線體域網通常由各種遍布于體內外的醫用傳感器節點(Node)和一個 中心節點(Hub)組成，是一種用于體表或體內生物體征信息的監控及部分無 線應用的短距離低功耗無線通信網絡。典型的無線體域網的組成如圖1所示。 無線體域網主要有以下三個特點：一是，節點間通信距離短(體表附近)， 網絡拓撲多為星形拓撲；二是，面向醫療應用的傳感器通常為可穿戴或者需 要植入體內的傳感器，考慮到人體舒適性和體內植入的難度，無線體域網對 傳感器的體積和功耗都有較為嚴格的要求；三是，各傳感器節點產生的業務， 尤其是緊急業務應能及時可靠地傳輸到Hub。

傳感器節點的主要功耗在于無線射頻模塊的收發以及MAC上，中心節 點由于需要做匯聚及與外部網關或遠程控制中心通信的任務，功耗相對會大 一點。在無線體域網這種多個傳感器節點共用一個信道的分布式網絡中， MAC層常用的接入方式為載波(媒體)監聽多重存取(CSMA，CarrierSense MultipleAccess)/沖突避免(CA，CollisionAvoidance)，由CSMA/CA的基 本原理可知，其不可避免地會產生沖突及重傳，這將會導致較多的能量消耗。 IEEE802.15.6中規定的CSMA/CA，雖然對不同用戶優先級的業務采用了不 同的競爭窗口值(CW)，但其退避規則仍和原始CSMA/CA大致相同，這也 就意味著在節點數目增多時，傳輸數據包時的沖突概率將會大大增加，為了 盡可能保證各傳感器節點采集的生理信息的可靠、高效傳輸，延長無線體域 網的持續生存時間，一種低功耗、低時延的MAC層接入方法亟待被提出應 用。

在申請號為“201310141601.X”，發明名稱為“一種實時任務調度的醫療 體域網MAC接入方法”的申請中，公開的MAC接入方案需要使用沖突解決 隊列和數據傳輸隊列兩種隊列，同時還引入了微時隙和數據時隙來分別傳輸 接入請求和無沖突數據。這種方案雖然可以根據節點和網絡的實際情況動態 調整網絡中節點的傳輸順序以提高服務質量，但是，同時也不可避免地增加 了MAC層協議的復雜性，在實際應用中是難以實現的。

在無線體域網尤其是應用于醫療領域的體域網中，緊急業務的傳輸是一 項重要的衡量指標，相關技術中提出的在超幀中插入適量的小的空閑時隙專 門用于緊急業務的傳輸的方案，雖然這些空閑時隙的數目可以由統計規律給 出一些參考，但是在實際應用中還是會產生一些不必要的時隙浪費，這將降 低全網的吞吐量；而且在實際的醫療場景中，緊急業務出現的頻率通常不會 太高，因此這種方法實用性并不高。

在IEEE802.15.6協議中，傳感器節點在傳輸數據包時，首先根據相應數 據包的用戶優先級選取相應的競爭窗口CW，然后從[1,CW]中隨機選取一個 數作為退避計數器的值，進行退避計數。在退避計數器件，傳感器節點偵聽 信道：若信道狀態為空閑，則退避計數器減1；若信道狀態為忙，則退避計 數器的值被鎖住，直到再次偵聽到信道狀態為空閑，退避計數器的值從剛才 被鎖住的值繼續做減1計數。直到退避計數器的值遞減為0，此時，傳感器 節點開始發送數據包。這種靜態的CSMA/CA接入協議實現起來雖然較為簡 單，但是，對于無線體域網(WBAN)而言，不同傳感器節點的采樣率和數 據格式(如心率和血壓信息)不盡相同，因此，對于不同節點來說，其數據 到達率往往相差較大；由于醫療應用需求，同一傳感器節點的采樣率在人體 處于不同生理狀態時其數據采樣率也略微有些變化，比如，在心電圖(ECG) 監測中，對于出現可疑的緊急狀況時，會提高采樣率以提供更為詳細的信息， 也就是說，對于同一節點其數據包到達率在不同時刻也不太一樣。