一種多等級(jí)無(wú)線體域網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量方法

馬玉軍 ，陳 敏 ，王軍鋒 ，3

（1.華中科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 武漢 430074；2.南陽(yáng)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中心 南陽(yáng) 473004；3.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院 鄭州 450001）

1 引言

近年來(lái)，無(wú)線體域網(wǎng) （wireless body area network，WBAN）逐漸成為研究熱點(diǎn)，吸引了許多學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員，在醫(yī)療護(hù)理、體育、娛樂(lè)、軍工企業(yè)、社會(huì)公共等領(lǐng)域應(yīng)用需求很大。目前，在WBAN中廣泛使用的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15.4，它支持非常低的功耗，特別適合低速率近距離的無(wú)線傳輸。

在WBAN中，終端節(jié)點(diǎn)（end device）是人身上佩戴的傳感器，如心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、重力加速計(jì)等，如圖1所示。通常情況下，人體傳感器不會(huì)和外界接入點(diǎn)直接通信，因此引入PS（personal server，個(gè)人服務(wù)器）作為聯(lián)接人體傳感器和外界接入點(diǎn)的橋梁。除了路由人體感知數(shù)據(jù)分組之外還可以有其他功能，例如，用于人體感知信息融合、降低數(shù)據(jù)冗余度，或作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

與傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) （wireless sensor network，WSN）中QoS特性不同，WBAN中對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)性、可靠性等服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）要求更高，而且對(duì)于不同的WBAN應(yīng)用場(chǎng)景，QoS要求也需量身定做。比如在醫(yī)院的真實(shí)應(yīng)用中，在帶寬有限的情況下，不同傳感數(shù)據(jù)的QoS及傳輸優(yōu)先級(jí)將不同，根據(jù)醫(yī)院實(shí)際情況考慮以下3種情況。

圖1 無(wú)線體域網(wǎng)樹(shù)型結(jié)構(gòu)

·病人之間的優(yōu)先級(jí)，即不同病人之間提供的服務(wù)優(yōu)先級(jí)不同（例如急診危重病人的數(shù)據(jù)比慢性病人的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，因此需要設(shè)置更高的優(yōu)先級(jí)）。

·傳感器節(jié)點(diǎn)之間的優(yōu)先級(jí)，即同一病人的不同種類(lèi)傳感數(shù)據(jù)的服務(wù)優(yōu)先級(jí)不同（例如心電數(shù)據(jù)通常要優(yōu)先于體溫?cái)?shù)據(jù)）。

·傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的優(yōu)先級(jí)，即同一節(jié)點(diǎn)同一類(lèi)傳感數(shù)據(jù)，在不同時(shí)間的優(yōu)先級(jí)可能動(dòng)態(tài)變化（例如血糖數(shù)據(jù)通常指定較低的優(yōu)先級(jí)，然而當(dāng)血糖過(guò)高或過(guò)低時(shí)，需要指定高優(yōu)先級(jí)）。

IEEE 802.15.4中MAC層有兩種模式，信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式，目前已經(jīng)有了一些基于這兩種模式的QoS研究，例如Bilel Nefzi等人設(shè)計(jì)的CoSenS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的可擴(kuò)展服務(wù)區(qū)分方法，在保證盡力傳輸流量的同時(shí)能夠自動(dòng)適應(yīng)流量變化；Cao H等人則基于信標(biāo)使能模式下超幀結(jié)構(gòu)提出了一種單層級(jí)的QoS方案。但是這些研究沒(méi)有從多個(gè)等級(jí)對(duì)WBAN業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的優(yōu)先級(jí)做出更為細(xì)致的區(qū)分。本文基于IEEE 802.15.4信標(biāo)使能模式和樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出一種基于等級(jí)的QoS框架，分別對(duì)競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期（contention access period，CAP）和非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期（contention free period，CFP）提出了適應(yīng)不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的QoS算法。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證了所提出框架的可行性和實(shí)用性。

2 IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議與樹(shù)型拓?fù)?/h2>

IEEE 802.15.4提供兩種操作模式:信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式。在非信標(biāo)模式中，使用非時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行通信，這種機(jī)制比信標(biāo)模式中采用的基于時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制簡(jiǎn)單，所有節(jié)點(diǎn)均以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道。信標(biāo)模式更適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和周期性數(shù)據(jù)傳送，也適合在WBAN中實(shí)現(xiàn)QoS。本文主要研究信標(biāo)模式下的網(wǎng)絡(luò)通信。

在信標(biāo)模式中，有一個(gè)非常重要的概念:超幀（superframe），它是一個(gè)周期性的時(shí)間結(jié)構(gòu)，分為活躍期（active）和可選的非活躍期（inactive），每個(gè)協(xié)調(diào)器都有自己的超幀，超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。協(xié)調(diào)器周期性發(fā)送信標(biāo)幀，節(jié)點(diǎn)通過(guò)信標(biāo)幀進(jìn)行同步操作。兩個(gè)相鄰信標(biāo)幀的時(shí)間間隔稱(chēng)為信標(biāo)間隔（beacon interval，BI）。節(jié)點(diǎn)在活躍期打開(kāi)接收機(jī)接收數(shù)據(jù)或者準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，在非活躍期休眠以節(jié)約能量。超幀活躍期的持續(xù)時(shí)間用參數(shù)SD（superframe duration）表示，它被劃分為16個(gè)相等的時(shí)隙（a Num Superframe Slots）。整個(gè)活躍期又被分為競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期（contention access period，CAP）和非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期（contention free period，CFP），節(jié)點(diǎn)在CAP采用基于時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制訪問(wèn)信道，而在CFP內(nèi)則采用TDMA（time division multiple access）進(jìn)行通信，使用保障時(shí)隙（guaranteed time slot，GTS）描述時(shí)隙資源，在CFP中包括一個(gè)或多個(gè)GTS，被分配給某個(gè)設(shè)備的GTS包括一個(gè)或多個(gè)時(shí)隙用于和協(xié)調(diào)器通信。

信標(biāo)間隔和超幀持續(xù)時(shí)間分別由信標(biāo)階（beacon order，BO）和超幀階（superframe order，SO）決定，計(jì)算方法如式（1）和式（2）所示。SO 和 BO 必須滿足:0≤SO≤BO≤14。

圖2 超幀結(jié)構(gòu)

基于時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制有3個(gè)重要的參數(shù):NB（number of back off）、CW（content windows）和 BE（back off exponent）。其中NB表示退避次數(shù)，初始值為0，最大值為4。當(dāng)節(jié)點(diǎn)完成隨機(jī)延遲，并監(jiān)測(cè)到信道繁忙，則NB加1；若NB超過(guò)最大值，則發(fā)送失敗。CW為競(jìng)爭(zhēng)窗，表示發(fā)送數(shù)據(jù)前需要確認(rèn)信道空閑的次數(shù)，默認(rèn)值為2。當(dāng)確認(rèn)信道空閑成功一次，則CW值減1，當(dāng)CW為0并且網(wǎng)絡(luò)信道空閑時(shí)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。BE表示退避指數(shù)，表示檢測(cè)信道是否空閑之前需要隨機(jī)退避時(shí)間，BE的取值范圍是0～5，默認(rèn)值為3。

IEEE 802.15.4協(xié)議對(duì)NB、BE和CW值的設(shè)定不是強(qiáng)制性的，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，具有較高的靈活性。后面將對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以滿足QoS需求。

IEEE 802.15.4信標(biāo)模式中CFP使用保障時(shí)隙（guaranteed time slot，GTS）為接入設(shè)備提供信道訪問(wèn)。設(shè)備訪問(wèn)信道前必須申請(qǐng)GTS，GTS請(qǐng)求命令幀格式如圖3所示。

圖3 GTS申請(qǐng)命令幀格式

節(jié)點(diǎn)（終端設(shè)備或路由器）使用GTS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，必須向其父節(jié)點(diǎn)（路由器或協(xié)調(diào)器）發(fā)送GTS分配請(qǐng)求命令幀，當(dāng)命令幀中characteristics type域的值為1時(shí)，表示申請(qǐng)GTS，GTS length域表示所申請(qǐng)時(shí)隙個(gè)數(shù)。父節(jié)點(diǎn)接收到GTS請(qǐng)求命令幀后發(fā)送確認(rèn)幀。父節(jié)點(diǎn)在分配GTS時(shí)必須同時(shí)滿足如下3個(gè)條件。

·父節(jié)點(diǎn)當(dāng)前超幀的CFP中剩余時(shí)隙個(gè)數(shù)大于或等于節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的GTS長(zhǎng)度。

·父節(jié)點(diǎn)中已分配的GTS數(shù)小于7（每個(gè)超幀最多分配 7個(gè) GTS）。

·分配GTS后父節(jié)點(diǎn)的CAP長(zhǎng)度大于或等于aMinCAP Length的值（IEEE 802.15.4規(guī)定的CAP最小長(zhǎng)度，其值為440個(gè)符號(hào)）。

在帶寬資源允許的情況下，父節(jié)點(diǎn)使用先來(lái)先服務(wù)原則為節(jié)點(diǎn)分配GTS，并將GTS分配情況存入信標(biāo)幀的GTS域。請(qǐng)求GTS的節(jié)點(diǎn)在約定的信標(biāo)周期內(nèi)對(duì)收到的信標(biāo)幀的GTS域進(jìn)行分析，判斷是否被分配了GTS，如果父節(jié)點(diǎn)為自己分配了GTS，則可在指定的GTS時(shí)隙范圍內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則GTS分配請(qǐng)求失敗。

3 基于等級(jí)的QoS框架

本部分提出一種采用樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并基于IEEE802.15.4信標(biāo)模式的無(wú)線體域網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量框架?？蚣苷螴EEE 802.15.4信標(biāo)使能通信模式、采用樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及樹(shù)路由?？蚣軐⒎?wù)區(qū)分為3個(gè)等級(jí)，第1個(gè)等級(jí)為病人級(jí)別的服務(wù)區(qū)分，根據(jù)病人的疾病緊急程度或者交費(fèi)情況確定其優(yōu)先級(jí)，保證優(yōu)先級(jí)高的病人的通信，將其稱(chēng)為病人間的優(yōu)先級(jí)。第2個(gè)等級(jí)為病人內(nèi)部傳感器間的優(yōu)先級(jí)。通常，WBAN中人體一般攜帶多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) （例如EEG、ECG），根據(jù)實(shí)際情況，這些傳感器節(jié)點(diǎn)通常具有不同的優(yōu)先級(jí)，例如，心臟病病人的ECG傳感器的優(yōu)先級(jí)應(yīng)該比其他傳感器高，當(dāng)心臟病發(fā)作時(shí)，ECG數(shù)據(jù)必須優(yōu)先于其他傳感器節(jié)點(diǎn)被發(fā)送出去。第3個(gè)等級(jí)為傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)其緊急程度進(jìn)行優(yōu)先級(jí)區(qū)分，保證重要的突發(fā)緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送，例如心臟病病人在心臟病發(fā)作時(shí)，必須立即將這個(gè)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到醫(yī)療中心。利用IEEE 802.15.4信標(biāo)模式中的競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期和非競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期來(lái)實(shí)現(xiàn)這3個(gè)等級(jí)的優(yōu)先級(jí)。

3.1 基于不同用戶的QoS實(shí)現(xiàn)

每個(gè)病人身上都帶有一個(gè)PS，它負(fù)責(zé)接收病人攜帶的傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。PS具備樹(shù)路由功能。

在醫(yī)療應(yīng)用中，有些病人的某個(gè)傳感器數(shù)據(jù)需要優(yōu)先傳輸，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)分優(yōu)先級(jí)。比如在緊急醫(yī)療場(chǎng)合，危重病人的數(shù)據(jù)需要采用更高的優(yōu)先級(jí)傳輸?？紤]使用GTS characteristic字段中的reserved中的兩位來(lái)指定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，它可以指定00～03共4個(gè)優(yōu)先級(jí)。

醫(yī)護(hù)人員根據(jù)病人具體情況設(shè)置節(jié)點(diǎn)或路由器的優(yōu)先級(jí)，節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)GTS時(shí)，將優(yōu)先級(jí)設(shè)置到reserved字段中。當(dāng)其父節(jié)點(diǎn)（路由器或協(xié)調(diào)器）接收到其GTS請(qǐng)求之后，根據(jù)reserved請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)將其插入GTS隊(duì)列中。

父節(jié)點(diǎn)GTS隊(duì)列中優(yōu)先級(jí)越低的排在隊(duì)列越前面。分配GTS從隊(duì)列的最后開(kāi)始往前分配，如圖4所示。

圖4 保障時(shí)隙隊(duì)列示意

插入隊(duì)列之后，父節(jié)點(diǎn)按照GTS隊(duì)列優(yōu)先級(jí)從高到底重新分配GTS，可能導(dǎo)致低優(yōu)先級(jí)的GTS失去時(shí)隙，則失去分配時(shí)隙的GTS成為“waiting GTS”狀態(tài)，等待高優(yōu)先級(jí)GTS釋放時(shí)隙資源。當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的GTS節(jié)點(diǎn)釋放GTS時(shí)，則父節(jié)點(diǎn)重新進(jìn)行GTS分配，后面的“waiting GTS”可能重新獲得時(shí)隙資源。

樹(shù)型結(jié)構(gòu)下，當(dāng)路由器下的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)改變之后，將路由器的優(yōu)先級(jí)也相應(yīng)改變，路由器的優(yōu)先級(jí)是各子節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的加權(quán)平均，計(jì)算方法如式（3）所示。

其中Pr表示路由器的優(yōu)先級(jí)，Si和Pi分別表示第i個(gè)子節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙數(shù)和優(yōu)先級(jí)。

GTS申請(qǐng)流程如下:

（1）終端節(jié)點(diǎn)向路由器發(fā)送GTS請(qǐng)求；

（2）路由器向終端節(jié)點(diǎn)回復(fù)ACK幀；

（3）路由器為終端節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，更新自己的優(yōu)先級(jí)；

（4）如果路由器優(yōu)先級(jí)發(fā)生變化，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送新的GTS請(qǐng)求；

（5）如果路由器已經(jīng)分配了GTS，則協(xié)調(diào)器更新其GTS信息，否則，協(xié)調(diào)器根據(jù)路由器優(yōu)先級(jí)為其分配GTS時(shí)隙；

（6）路由器向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送帶有新的分配信息的信標(biāo)幀；

（7）協(xié)調(diào)器向路由器發(fā)送帶有新的分配信息的信標(biāo)幀。

步驟（3）父節(jié)點(diǎn)分配GTS的算法如下。

算法1 分配保障時(shí)隙（GTS）

通過(guò)優(yōu)先級(jí)在隊(duì)里中查找正確的位置，

將新的GTS請(qǐng)求信息插入隊(duì)列并排序

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到信標(biāo)幀時(shí)，如發(fā)現(xiàn)自己的GTS起始時(shí)隙為-1，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到信標(biāo)幀重新分配到GTS（其起始時(shí)隙不是-1），再傳輸數(shù)據(jù)。

路由器優(yōu)先級(jí)變化之后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送新的GTS請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器根據(jù)路由器的優(yōu)先級(jí)更新其GTS隊(duì)列，然后通過(guò)信標(biāo)幀通知路由器，處理過(guò)程和路由器類(lèi)似。

3.2 基于不同數(shù)據(jù)的QoS實(shí)現(xiàn)

人身體上可能帶有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)（如EEG、ECG）。傳感器節(jié)點(diǎn)間的QoS實(shí)現(xiàn)有兩種方法。

·利用基于時(shí)隙的CSMA/CA機(jī)制中CAP的BE。

·利用CFP的GTS，這部分功能已經(jīng)整合到基于不同用戶的QoS實(shí)現(xiàn)中。

下面具體介紹第1種方法。

退避指數(shù)表示節(jié)點(diǎn)在探測(cè)信道忙閑狀態(tài)時(shí)需要隨機(jī)退避等待的時(shí)間，它的值要根據(jù)電池壽命擴(kuò)展參數(shù)mac BattLife ExtPeriod設(shè)置，如果這個(gè)屬性值為true，則BE=min(2,macMinBE)，即2和 macMinBE之間的最小值，如果這個(gè)屬性值為false，則BE=macMinBE。因?yàn)樵隗w域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)電池的更換相對(duì)比較容易，假設(shè)macBattLifeExtPeriod屬性值為false，macMinBE的值即為BE的值。用T表示隨機(jī)退避等待的時(shí)間，用R表示0～(2BE-1)之間的隨機(jī)整數(shù)。T可以用式（4）表示。

可見(jiàn)BE值的選取直接影響隨機(jī)退避時(shí)間T，BE的范圍為0～macMaxBE，而macMaxBE的值為0～5。較小的BE值意味著設(shè)備有較大的可能優(yōu)先使用信道發(fā)送數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，如果節(jié)點(diǎn)的退避指數(shù)不同，則節(jié)點(diǎn)在使用CSMA/CA機(jī)制訪問(wèn)信道時(shí)，占用信道的概率也不相同。通過(guò)調(diào)節(jié)每個(gè)終端設(shè)備的BE值實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)分，BE越小，終端設(shè)備的優(yōu)先級(jí)越高，從而保證在競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量。

3.3 基于傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)的QoS實(shí)現(xiàn)

在每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部，存在多種需要發(fā)送的數(shù)據(jù)類(lèi)型，例如，周期性發(fā)送的非緊急數(shù)據(jù)，突發(fā)事件的緊急數(shù)據(jù)，要求確認(rèn)的數(shù)據(jù)和不要求確認(rèn)的數(shù)據(jù)以及MAC層的命令幀等。為了保證發(fā)生突發(fā)事件時(shí)緊急數(shù)據(jù)能夠立即成功發(fā)送，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)區(qū)分，提供QoS保證。

節(jié)點(diǎn)內(nèi)部在CAP內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)的分類(lèi)、優(yōu)先級(jí)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部?jī)?yōu)先級(jí)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部生成數(shù)據(jù)流量后，內(nèi)部處理程序根據(jù)其數(shù)據(jù)類(lèi)型設(shè)置優(yōu)先級(jí)，然后將數(shù)據(jù)加入CAP發(fā)送隊(duì)列中，如果隊(duì)列為空，則數(shù)據(jù)直接加入隊(duì)列即可，如果隊(duì)列不為空，則需要根據(jù)數(shù)據(jù)分組的優(yōu)先級(jí)將數(shù)據(jù)分組插入隊(duì)列中，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)分組排在優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)前面，以保證優(yōu)先被發(fā)送出去。具體算法如下。

算法2 設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)期CAP優(yōu)先級(jí)

4 性能評(píng)估

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真對(duì)提出的QoS框架和實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行性能評(píng)估。使用OPNET Modeler仿真工具和開(kāi)放源代碼的IEEE 802.15.4/ZigBee OPNET仿真模型，實(shí)現(xiàn)了提出的基于等級(jí)的QoS框架和算法，修改了仿真模型中的樹(shù)路由算法以滿足QoS的要求，加入了支持QoS的GTS調(diào)度算法。

4.1 基于退避指數(shù)的QoS仿真

假設(shè)病人身上攜帶3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，這3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都需要和PS通信。傳感器節(jié)點(diǎn)node1、node2和node3的BE值分兩種情況:第1種情況，3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的BE值都為3；第2種情況，3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的BE值分別為1、2和3。3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在CAP內(nèi)的流量開(kāi)始時(shí)間相同，流量速率設(shè)置為 100 bit/0.03 s，仿真時(shí)間為 50 s。BE兩種取值的CAP隊(duì)列時(shí)延仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的BE值相等時(shí)，3個(gè)節(jié)點(diǎn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)在隊(duì)列中的時(shí)延集中為0.005～0.010 s。設(shè)置不同BE值后，node 1節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列時(shí)延為0.003～0.004 s，node2節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列時(shí)延為 0.006～0.008 s，node3節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列時(shí)延為0.008～0.012 s。仿真結(jié)果表明3個(gè)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去的時(shí)延隨著B(niǎo)E值的增大依次增加，實(shí)現(xiàn)了按照優(yōu)先級(jí)發(fā)送數(shù)據(jù)的效果。

圖5 節(jié)點(diǎn)退避指數(shù)都為3

圖6 節(jié)點(diǎn)退避指數(shù)依次為1、2、3

4.2 基于GTS的QoS仿真

在一個(gè)路由器下設(shè)置6個(gè)子節(jié)點(diǎn)，BO設(shè)置為6，SO設(shè)置為2，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)分組間隔為1 s，分組大小為500 bit，仿真時(shí)間設(shè)置為60 s。

首先看修改之前，如果4個(gè)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)的GTS優(yōu)先級(jí)相同，node1～node6都申請(qǐng)4個(gè)時(shí)隙，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 未設(shè)優(yōu)先級(jí)的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載

可以看到，根據(jù)先來(lái)先服務(wù)的原則，node1至node3都申請(qǐng)到4個(gè)時(shí)隙，因?yàn)樽钚AP的限制，CFP最大可分時(shí)隙數(shù)為13個(gè)，node4申請(qǐng)到1個(gè)時(shí)隙，當(dāng)node5和node6開(kāi)始申請(qǐng)時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有時(shí)隙可用，因此一直沒(méi)有申請(qǐng)成功。

改進(jìn)GTS分配算法之后，仿真的GTS參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。仿真結(jié)果如圖8所示。

表2 節(jié)點(diǎn)仿真參數(shù)

圖8 設(shè)置優(yōu)先級(jí)后的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載

圖9是node4開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)之后，父節(jié)點(diǎn)GTS隊(duì)列隨著node5、node6的開(kāi)始和結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù) （第16 s～第50 s）的變化。當(dāng)node4申請(qǐng)GTS時(shí)隙時(shí)，優(yōu)先分得4個(gè)時(shí)隙，node2和node3仍然各占有4個(gè)時(shí)隙，因?yàn)閚ode2的優(yōu)先級(jí)最低，所以其時(shí)隙只剩下 1個(gè)。GTS隊(duì)列如圖 9（a）所示。

圖9 保障時(shí)隙隊(duì)列變化

當(dāng) node5在第 20 s申請(qǐng)到 4個(gè)時(shí)隙之后，node2的GTS被剝奪，進(jìn)入等待狀態(tài)，從圖8可以看到node2的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載在第20 s時(shí)開(kāi)始走平，node1只剩一個(gè)時(shí)隙。GTS隊(duì)列如圖 9（b）所示。

當(dāng) node6在第 24 s申請(qǐng)到 4個(gè)時(shí)隙之后，node1的GTS也被剝奪，進(jìn)入等待狀態(tài)，GTS隊(duì)列如圖9（c）所示，圖8中的node1的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開(kāi)始走平。

在第40 s時(shí)，node5到達(dá)結(jié)束時(shí)間，釋放了GTS，node1重新獲得了 1個(gè)時(shí)隙的 GTS，GTS隊(duì)列如圖 9（d）所示。圖9中node5的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開(kāi)始走平，而node1則又開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開(kāi)始向上走。

在第50 s時(shí)，node6到達(dá)結(jié)束時(shí)間，釋放了GTS，node1增加了3個(gè)時(shí)隙，成為4個(gè)時(shí)隙，node2重新獲得了1個(gè)時(shí)隙的 GTS，GTS隊(duì)列狀態(tài)恢復(fù)到圖9（a）。圖8中node6的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開(kāi)始走平，而node2則又開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載向上走。

以上結(jié)果說(shuō)明實(shí)現(xiàn)了CFP中不同GTS優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的彈性傳送。

路由器的優(yōu)先級(jí)是所有GTS時(shí)隙優(yōu)先級(jí)的加權(quán)平均，當(dāng)GTS隊(duì)列發(fā)生變化時(shí)，路由器的優(yōu)先級(jí)也發(fā)生了變化，路由器的優(yōu)先級(jí)如圖10所示。如果路由器優(yōu)先級(jí)發(fā)生變化，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送GTS分配請(qǐng)求。

圖10 路由器優(yōu)先級(jí)變化

可以看到第4 s和第8 s時(shí)因?yàn)閚ode1、node2優(yōu)先級(jí)都是1，因此沒(méi)有改變，當(dāng)?shù)?2 s時(shí)node3開(kāi)始申請(qǐng)GTS，路由器平均優(yōu)先級(jí)變?yōu)?.3，隨著node4～node6開(kāi)始申請(qǐng)GTS，平均優(yōu)先級(jí)接近 3，node5，node6 在第 40 s、第 50 s退出GTS之后，平均優(yōu)先級(jí)最后稍低于2。根據(jù)式（4）計(jì)算，總的時(shí)隙數(shù)是 13，則路由器優(yōu)先級(jí)為(4×3+4×2+4×2+1×1)/13≈1.9。這說(shuō)明了節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)變化導(dǎo)致路由器的優(yōu)先級(jí)發(fā)生了變化。

4.3 節(jié)點(diǎn)內(nèi)部QoS仿真

由于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部QoS的設(shè)置和數(shù)據(jù)傳送僅與傳感器自身和PS相關(guān)，為了簡(jiǎn)化設(shè)置過(guò)程和對(duì)仿真結(jié)果的分析，僅設(shè)置1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與PS進(jìn)行通信。由于MAC命令幀個(gè)數(shù)在整個(gè)通信中所占的比例較小，故僅仿真ACK和NO ACK流量。傳感器節(jié)點(diǎn)的ACK和NO ACK流量發(fā)送的間隔時(shí)間都為0.01 s（按指數(shù)分布），數(shù)據(jù)分組大小都為100 bit，發(fā)送時(shí)間都為0.2～4.0 s。仿真時(shí)間為5 s。

在未設(shè)置優(yōu)先級(jí)情況下的數(shù)據(jù)幀平均端到端時(shí)延（end to end delay）仿真結(jié)果如圖11所示，設(shè)置優(yōu)先級(jí)后的仿真結(jié)果如圖12所示。在未設(shè)置優(yōu)先級(jí)時(shí)ACK流量和NACK流量的端到端平均時(shí)延集中在0.007～0.009 s，設(shè)置優(yōu)先級(jí)后，ACK流量的平均端到端時(shí)延集中在0.004 s，而NACK流量的平均端到端時(shí)延集中在0.014～0.018 s。也就是說(shuō)，通過(guò)設(shè)置優(yōu)先級(jí)確保了ACK數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送到目的地。

圖11 沒(méi)有優(yōu)先級(jí)的端到端時(shí)延

圖12 設(shè)置優(yōu)先級(jí)后的端到端時(shí)延

5 結(jié)束語(yǔ)

在無(wú)線體域網(wǎng)中提供有效的QoS保障機(jī)制，對(duì)于WBAN的推廣應(yīng)用具有重要意義。本文利用IEEE 802.15.4信標(biāo)模式和基于樹(shù)型拓?fù)涞臉?shù)路由實(shí)現(xiàn)了基于等級(jí)的QoS框架，從3個(gè)不同等級(jí)確保高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)傳送，在保證實(shí)現(xiàn)QoS的同時(shí)與現(xiàn)有通信協(xié)議完全兼容，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了提出的QoS框架。

1 Chen M,Gonzalez S,Vasilakos A,etal.Body area networks:a survey.Mobile Networks and Applications，2011,16(2):171～193

2 Cao H,Gonzalez-Valenzuela S,Leung V C M.Employing IEEE 802.15.4 for quality of service provisioning in wireless body area sensor networks.Proceedings of 2010 the 24th IEEE International Conference on Advanced Information Networking and Applications(AINA),Perth,Australia,2010

3 Nefzi B,Song Y Q.QoS for wireless sensor networks:enabling service differentiation at the MAC sub-layer using CoSenS.Ad Hoc Networks,2012,10(4):680～695

4 Opnet Tech Inc.Opnet Modeler.http://www.opnet.com/

5 OpenSource toolset for IEEE 802.15.4 and ZigBee.http://www.open-zb.net/