基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)自適應(yīng)擁塞控制方法

侯睿，劉俊康*，張成俊，張嫣，余俊樂

( 1中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢 430074；2 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，武漢 430073)

近年來，隨著大健康產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，各類醫(yī)療機(jī)構(gòu)對醫(yī)護(hù)監(jiān)測的智能化、實(shí)時性、準(zhǔn)確度、高效性等要求日益提高.從調(diào)研情況看，以醫(yī)院為例，目前大多數(shù)醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)處于有線布設(shè)方式，位置相對固定，對于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的靈活移動，如病床的增減，以及監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的故障處理等問題存在一定限制.針對上述問題，采用無線通信方式成為了醫(yī)用系統(tǒng)主要的發(fā)展方向，在醫(yī)用系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)技術(shù)相較于傳統(tǒng)方式有更多優(yōu)勢，如低費(fèi)用、低能耗、簡便、快速、數(shù)據(jù)采集方式靈活等[1].運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以極大地改善醫(yī)療環(huán)境，因此在醫(yī)學(xué)研究、醫(yī)院、療養(yǎng)院以及家庭日常監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域有著很大的發(fā)展空間，逐漸成為目前的研究熱點(diǎn).

目前，隨著醫(yī)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中接入的設(shè)備種類與數(shù)量高速增長，造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載逐漸增加.如何高效協(xié)調(diào)醫(yī)療場景下WSNs中種類繁雜的數(shù)據(jù)、提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量和可靠性是十分重要的.因此，研究擁塞控制技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)用領(lǐng)域的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的意義[2].

1 MANET擁塞控制方法

無線自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network,MANET)具有組網(wǎng)自主靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域.但是，隨著用戶數(shù)量的增多，數(shù)據(jù)量也隨之增大，從而會在MANET節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生數(shù)據(jù)擁塞，對數(shù)據(jù)可靠傳輸產(chǎn)生影響.MANET擁塞控制研究大致可分為兩個方向：一是在軟件層面通過擁塞控制、優(yōu)化調(diào)度等方法來協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的傳輸；二是在硬件層面通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置來提高網(wǎng)絡(luò)性能.

目前網(wǎng)絡(luò)擁塞控制在軟件層面的研究主要集中在慢啟動等算法上.文獻(xiàn)[3]介紹了慢啟動算法在緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞中的作用.在TCP通信中新建的連接不能立刻就發(fā)送大量數(shù)據(jù)包，這樣容易導(dǎo)致系統(tǒng)資源耗盡，所以新建連接時，將CWND初始化為1個報(bào)文段(MSS)大小，每當(dāng)有MSS被確認(rèn)，CWND就增加1倍.這樣CWND將持續(xù)增長最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)帶寬所能承受的峰值.文獻(xiàn)[4]提出一種擁塞避免方法，其主要思想是控制數(shù)據(jù)包發(fā)送，即CWND不再呈指數(shù)級上升，當(dāng)有MSS被確認(rèn)時，CWND增加1，CWND隨著RTT開始線性增加，這樣就避免增長過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，逐漸增加調(diào)整到網(wǎng)絡(luò)的最佳值.文獻(xiàn)[5]提出一種通過建立緩存區(qū)域來緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的方法，利用異步化-隊(duì)列將請求/事務(wù)放入后臺運(yùn)行，當(dāng)有大量數(shù)據(jù)包發(fā)送時，數(shù)據(jù)包會先進(jìn)入隊(duì)列等待處理，隊(duì)列并發(fā)度與數(shù)據(jù)庫并發(fā)能力相匹配，數(shù)據(jù)請求按序進(jìn)行，以此避免網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生，從而有效保護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信性能.文獻(xiàn)[6]提出一種基于數(shù)據(jù)優(yōu)先級的擁塞控制算法，通過將數(shù)據(jù)包按類型劃分等級，按照優(yōu)先級進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的及時傳輸.文獻(xiàn)[7]提出一種自適應(yīng)控制算法,通過分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自動調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)包的吞吐量,在有效緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的前提下更加充分地利用網(wǎng)絡(luò)資源.以上方法雖然在一定程度上能夠緩解網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擁塞，但在適用于MANET自組織特性、流量均衡等方面還存在局限.

本文根據(jù)MANET網(wǎng)絡(luò)特征以及醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)種類多、數(shù)量大，對數(shù)據(jù)傳輸可靠性和準(zhǔn)確性等要求高，首先基于ZigBee無線傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)出一套無線自組織醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，并提出一種能夠優(yōu)化資源調(diào)度和負(fù)載均衡的自適應(yīng)擁塞控制方法(Adaptive Congestion Control,ACC).根據(jù)醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和傳輸特點(diǎn)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,設(shè)定不同的優(yōu)先級，通過改進(jìn)的緩存與流量調(diào)度算法對并發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行擁塞控制，以達(dá)到緩解數(shù)據(jù)擁塞、充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源、減少時延、增加吞吐量的目的.

2 ACC方法

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星型、樹型和網(wǎng)狀3種基本模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能可分為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).本文在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)框架時結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織組網(wǎng)特性，綜合3種基本模式的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，根據(jù)功能將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)與解析三個模塊，模塊之間通過預(yù)設(shè)API進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對接.數(shù)據(jù)采集模塊采用星型結(jié)構(gòu)，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分簇管理，每一個簇中有一個ZigBee路由節(jié)點(diǎn)作為簇頭，簇頭負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)與簇外數(shù)據(jù)解析模塊通信，而每一個簇內(nèi)的其他終端節(jié)點(diǎn)只與簇頭通信.這樣的組網(wǎng)方式減少了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)解析模塊需要處理的數(shù)據(jù)量，提高了系統(tǒng)的通信效率與穩(wěn)定性.針對醫(yī)療領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)在各層進(jìn)行可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺的可拓展、易維護(hù)、高效率、高并發(fā)等特性，同時兼顧系統(tǒng)性能與搭建成本之間的平衡.基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 基于ZigBee的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)Fig.1 Medical monitoring system based on ZigBee

2.2 數(shù)據(jù)評級

ACC方法會將醫(yī)療環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類評級，在網(wǎng)絡(luò)繁忙時根據(jù)數(shù)據(jù)級別對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度，以保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)的及時傳輸[6].本文對數(shù)據(jù)等級的評判主要根據(jù)各項(xiàng)體征指標(biāo)在醫(yī)治過程中的重要程度進(jìn)行劃分，醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域相關(guān)數(shù)據(jù)主要有：1)人體的體征數(shù)據(jù)，如心率、血壓、血氧含量、血糖等；2)環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、有毒氣體濃度、PM2.5等；3)重要信號，如體征指標(biāo)達(dá)到預(yù)設(shè)閾值后發(fā)出的報(bào)警信號、患者有需求時發(fā)出的呼叫信號等.根據(jù)上述指標(biāo)的重要程度分別進(jìn)行數(shù)據(jù)等級評估，具體的數(shù)據(jù)等級劃分結(jié)果見表1.

表1 數(shù)據(jù)種類等級劃分Tab.1 Classification of data types

2.3 擁塞控制

ACC根據(jù)ZigBee節(jié)點(diǎn)緩存量大小、數(shù)據(jù)等級對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，同時能夠根據(jù)流量大小實(shí)時控制數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，從而很好地控制數(shù)據(jù)擁塞[7]，主要過程如下：

首先，每個ZigBee節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己緩存大小設(shè)置一個擁塞窗口CWND(Congestion Windows)，在啟動階段，當(dāng)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)與路由器新建連接時，CWND初始化為一個最大報(bào)文段MSS(Maximum Segment Size)大小，數(shù)據(jù)發(fā)送端按照CWND大小發(fā)送數(shù)據(jù)，每當(dāng)有一個MSS被確認(rèn)，CWND就增加1倍，這樣CWND的值就隨著網(wǎng)絡(luò)往返時間呈指數(shù)級增長.當(dāng)窗口達(dá)到預(yù)設(shè)閾值或出現(xiàn)丟包時，進(jìn)入擁塞避免階段[8]，同時根據(jù)緩存占用情況自適應(yīng)地采取不同的數(shù)據(jù)傳輸模式：當(dāng)緩存占用率高于預(yù)設(shè)閾值時，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將優(yōu)先發(fā)送高優(yōu)先級數(shù)據(jù)，保障重要數(shù)據(jù)的正常傳輸，以確保系統(tǒng)核心設(shè)備正常運(yùn)作.在緩存逐漸釋放的同時，節(jié)點(diǎn)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)量、緩存大小、(動態(tài))數(shù)據(jù)優(yōu)先級，逐級發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù).當(dāng)緩存占用情況達(dá)到閾值時，又重新進(jìn)入擁塞避免階段，逐級動態(tài)發(fā)送數(shù)據(jù)，最終將CWND維持在網(wǎng)絡(luò)能夠承受的最大值，從而保證監(jiān)測系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量(見圖2).

圖2 ACC算法運(yùn)行機(jī)制Fig.2 Operation mechanism of ACC algorithm

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)

為了驗(yàn)證所提出的ACC方法在醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)中的效用，本文選取目前在自組織網(wǎng)絡(luò)中較為典型的擁塞控制算法TCP Reno以及流量控制調(diào)整算法FCA(Flow Control Adjustment Algorithm)作為性能比較的對象[9].根據(jù)實(shí)際醫(yī)療監(jiān)測環(huán)境的需求，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備部署如圖3所示.實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Network topology

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

ACC方法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)吞吐量的大小啟動不同擁塞控制模式，自動調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)中各優(yōu)先級數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，從而達(dá)到控制數(shù)據(jù)流量、緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的，保障監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.

圖4給出了3種擁塞控制算法下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量的情況，在相同的網(wǎng)絡(luò)布局與資源下，Reno算法調(diào)控下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量波動較大，數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，容易造成丟包.目前較常用的FCA算法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流量采取不同的擁塞控制策略，但該算法調(diào)控下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量仍在較大范圍內(nèi)波動.相比之下，ACC擁塞控制算法更具優(yōu)勢.從圖4中可以看出，在啟動階段，由于數(shù)據(jù)量較少還未進(jìn)入擁塞控制階段，當(dāng)緩存占用達(dá)到預(yù)設(shè)閾值、開啟擁塞避免以后，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)吞吐量將維持在一定范圍內(nèi)小幅度波動，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，更易控制.

圖4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)吞吐量Fig.4 Network data throughput

圖5是3種擁塞控制算法下網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)丟包率的變化情況，Reno算法由于數(shù)據(jù)吞吐量反復(fù)波動，所以丟包率也有較大波動，這將加大數(shù)據(jù)重傳算法的運(yùn)算負(fù)荷，造成不確定因素.FCA算法控制下的網(wǎng)絡(luò)丟包率也存在較大波動，不夠穩(wěn)定.而ACC控制下的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)丟包率穩(wěn)定在一個較低的范圍內(nèi)，穩(wěn)定的丟包率將極大減小數(shù)據(jù)快速重傳算法的運(yùn)行壓力，有利于提高算法整體的效率與穩(wěn)定性.

圖5 數(shù)據(jù)丟包率Fig.5 Packet loss rate

圖6給出了3種擁塞控制算法下緩存使用率的變化情況，Reno算法控制下的緩存空間占用率呈反復(fù)波動的趨勢，較大的波動將加大緩存處理時的運(yùn)算負(fù)荷，消耗系統(tǒng)資源.而FCA算法在啟動階段過后能夠?qū)⒕彺嬲加寐史€(wěn)定在一定范圍內(nèi)，但該算法調(diào)控下的緩存使用率較低，造成較多資源浪費(fèi).相比之下，ACC擁塞控制算法在啟動完成以后，控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的吞吐量，使緩存占用率逐漸穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)小幅波動，在減小緩存控制算法運(yùn)行壓力的同時更加充分地利用緩存資源，使系統(tǒng)能夠高效、穩(wěn)定地運(yùn)行.

圖6 緩存占比Fig.6 Cache ratio

圖7給出的是3種擁塞控制算法下網(wǎng)絡(luò)延遲的變化情況，在相同的網(wǎng)絡(luò)布局與資源下，Reno算法下的網(wǎng)絡(luò)延遲呈反復(fù)波動的趨勢，較大的延遲波動將加大數(shù)據(jù)解析算法的運(yùn)算負(fù)荷，造成不確定因素.從圖7中可以看出FCA算法與ACC算法都可以通過控制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包吞吐量使得網(wǎng)絡(luò)延遲穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)小幅波動，此時由于數(shù)據(jù)延遲穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收方的數(shù)據(jù)解析壓力將極大地減小，有利于提高算法整體的效率與可靠性.

圖7 網(wǎng)絡(luò)延遲Fig.7 Network delay

4 結(jié)論

WSNs應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠提升醫(yī)院的信息化程度和服務(wù)水平，提高醫(yī)院運(yùn)行效率[10].本文提出了一種自適應(yīng)擁塞控制方法應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)測自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，根據(jù)需求設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)布局，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行等級劃分處理，并優(yōu)化緩存調(diào)度與流量控制，使得改進(jìn)后的算法下數(shù)據(jù)傳輸平穩(wěn)、丟包率低、系統(tǒng)響應(yīng)及時、網(wǎng)絡(luò)延遲低，對相關(guān)領(lǐng)域、行業(yè)的運(yùn)用具有一定的理論和實(shí)際參考意義.