低傳輸模式醫(yī)療監(jiān)測無線體域網(wǎng)MAC 協(xié)議

尚 薇，任領美，2，張重慶

（1.山東科技大學計算機學院，山東 青島 266590；2.深圳信息職業(yè)技術學院 計算機學院，廣東深圳 518172）

0 引言

老年慢性病人與亞健康人群數(shù)量的急劇增長已成為我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)亟待解決的難題［1］。解決這一難題的第一步是改變傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測方式，以最小程度影響使用者的生活，可以在自由活動中接受監(jiān)測為目標進行醫(yī)療監(jiān)測。

無線通信技術、傳感器技術、電池技術、微機電技術等技術的發(fā)展促進了無線體域網(wǎng)的誕生［2］。該網(wǎng)絡綜合了無線通信技術、傳感器技術等，具有微型化、可進行無線通信等突出優(yōu)點，因此在醫(yī)療監(jiān)護、個人健康護理、士兵或消防員狀態(tài)監(jiān)測、體感娛樂、個人情緒監(jiān)測等領域具有廣闊的應用前景［3］。無線體域網(wǎng)由一個或多個放置在人體表面或人體內部的小傳感器組成，可實時監(jiān)測人體各種生理數(shù)據(jù)，并通過協(xié)調器與通信網(wǎng)絡傳送到云端，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出相應結果，供醫(yī)務人員參考、分析。

在一個醫(yī)療監(jiān)測無線體域網(wǎng)內，節(jié)點通常有兩種工作模式：全傳輸模式［4］和低傳輸模式［5］。全傳輸模式是指一個節(jié)點以一定頻率測量某個生理指標或生理狀態(tài)，并將全部或相當比例的測量數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調器。例如，一個植入心臟的監(jiān)測節(jié)點以每秒1Hz 的采樣頻率采集心臟狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器。低傳輸模式是指一個節(jié)點以一定頻率測量某個生理指標或生理狀態(tài)，但只在某些情況下才將測量結果傳送到協(xié)調器。例如，上述的心臟狀態(tài)監(jiān)測節(jié)點仍以1Hz 的采樣頻率采集心臟狀態(tài)數(shù)據(jù)，但其僅在判斷采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常的情況下才將測量結果傳送到協(xié)調器。與全傳輸模式相比，低傳輸模式的一大顯著優(yōu)勢是能夠大幅降低能耗，進而能很大程度上延長節(jié)點壽命與服務時間。雖然低傳輸模式具有良好的節(jié)能潛力，但能量的節(jié)省不是自動實現(xiàn)的，仍需要合適技術的輔助，MAC 協(xié)議［6］就是其中之一。在醫(yī)療監(jiān)測過程中，全傳輸模式與低傳輸模式是兩種相輔相成的工作模式。因此，本文專門為低傳輸模式節(jié)點與全傳輸模式節(jié)點共存的無線體域網(wǎng)設計了一個MAC 協(xié)議，既能提高能量利用效率，又具有高可靠性和高實時性，并提供一個快速的喚醒與催眠機制。

1 研究現(xiàn)狀

無線體域網(wǎng)廣闊的應用前景吸引了許多研究者關注，并日漸成為研究熱點。無線體域網(wǎng)可視為無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）的一個分支，屬于典型的交叉學科，需要多領域研究者的合作研究。如今世界各國已有越來越多研究人員投入到該領域研究中，開展了許多無線體域網(wǎng)研究項目并開發(fā)了相關應用系統(tǒng)，具有代表性的有美國哈佛大學的醫(yī)療護理系統(tǒng)CodeBlue、霍普金斯大學的健康與災難救助系統(tǒng)AID-N、微軟的實時生理監(jiān)測可穿戴系統(tǒng)HealthGear、新加坡信息通信研究所的MobiSense 以及歐盟MobiHealth項目開發(fā)的mHealth 等。尤其是IEEE 于2007 年成立了802.15.6 工作組，開始制定無線體域網(wǎng)相關標準，并于2012年正式通過了WBAN 標準“IEEE 802.15.6 Standard for Wireless Body Area Networks”。我國許多大學與研究機構也開展了相關研究，包括清華大學、上海交通大學、香港科技大學、吉林大學、湖南大學、東南大學、臺灣大學等。國家設立863 重點項目“無線體域網(wǎng)關鍵技術研究”，主要針對人體無線體域網(wǎng)技術、UWB 信道傳輸特性等專題進行研究，而且自2011 年起，國家自然科學基金委每年均資助多項WBAN 研究項目。國內具有代表性的無線體域網(wǎng)相關研究有：中科院計算所利用無線體域網(wǎng)開發(fā)的中醫(yī)脈象信息收集及分析遠程醫(yī)療系統(tǒng)、中科院傳感網(wǎng)絡與應用聯(lián)合研究中心的無線體域網(wǎng)運動重建項目、香港中文大學的移動無線體域網(wǎng)跟蹤與能量感知MAC 研究等。

無線通信技術［7］是無線體域網(wǎng)關鍵技術的重要組成部分，如何設計適用于無線體域網(wǎng)的通信技術是研究者們面臨最重要的挑戰(zhàn)之一。無線體域網(wǎng)是一種特殊的傳感網(wǎng)（WSN），但又具有自己的特點，在網(wǎng)絡環(huán)境與結構、數(shù)據(jù)模式、QoS 要求、節(jié)點移動性等方面與傳統(tǒng)WSN 有很大不同。因此，適用于傳統(tǒng)WSN 的通信技術并不適用于無線體域網(wǎng)，必須針對無線體域網(wǎng)的特點研究新的通信技術，其中便包括MAC 協(xié)議［8］。目前已提出了許多支撐無線體域網(wǎng)的MAC 協(xié)議，如DQBAN、EELDC-MAC、Med-MAC、Body?MAC、CA-MAC、802.15.4、802.15.6 等。這些協(xié)議通常考慮了各種應用所產(chǎn)生流量的特征，并使用載波偵聽與沖突避免（CSMA/CA）［9］及時分復用（TDMA）［10］兩種機制適配各種流量，因此具有一定的適應性。

一般而言，上述協(xié)議在設計時是以承載高數(shù)據(jù)流量為出發(fā)點并圍繞此進行優(yōu)化的。當然，這些協(xié)議能夠調整其占空比（duty cycle）以適配低數(shù)據(jù)流量。但是，這些協(xié)議并不是專門為低流量應用設計與優(yōu)化的，因此這些協(xié)議在承載低數(shù)據(jù)流量時不是最優(yōu)。首先，這些協(xié)議的能量效率仍有提升的空間；其次，這些協(xié)議沒有考慮協(xié)調器的能量效率［11］，有些甚至會犧牲協(xié)調器的能量效率來提升節(jié)點能量效率；第三，這些協(xié)議缺乏一個快速喚醒機制。該機制對于發(fā)生緊急事件時，快速喚醒相關節(jié)點進入滿負荷工作狀態(tài)是有利的，可以使醫(yī)護人員收集盡可能詳細的病人病情信息。該機制還可用于驅動一個執(zhí)行器節(jié)點執(zhí)行某些動作，如向病人體內注射一定量的胰島素。本文提出的MAC協(xié)議可用于緊急事件監(jiān)測節(jié)點與周期性監(jiān)測節(jié)點并存的網(wǎng)絡，通過設計幀結構，該協(xié)議能適配周期性的高數(shù)據(jù)率流量，也能適配低數(shù)據(jù)率流量。不僅如此，通過在嵌入幀內配置多個數(shù)據(jù)段，可使協(xié)議承載更高的數(shù)據(jù)流量。

2 超幀結構及操作過程

2.1 超幀與數(shù)據(jù)幀結構

星形結構的無線體域網(wǎng)一般存在兩種通信模式：信標模式（beacon mode）和無信標模式（non-beacon mode）［12］。在信標模式下，時間被劃分為超幀并由協(xié)調器進行控制，協(xié)調器定期發(fā)送包含同步信息和網(wǎng)絡控制數(shù)據(jù)的信標幀，節(jié)點接收信標幀，并根據(jù)信標幀里包含的信息選擇合適的接入方式訪問信道；在無信標模式下，一個節(jié)點的接收器不需要定期接收信標幀。雖然無信標模式能夠保障節(jié)點能量利用的高效率以及從節(jié)點到協(xié)調器的低數(shù)據(jù)傳輸延遲，但其難以實現(xiàn)從協(xié)調器到節(jié)點的低傳輸時延，也難以實現(xiàn)快速喚醒機制。因此，本文提出的協(xié)議沒有使用無信標模式。通過利用信標模式的優(yōu)點，并設計有限機制克服信標模式的缺點，使本文協(xié)議能夠滿足工作在低傳輸模式節(jié)點的需求。

圖1（a）給出了MAC 協(xié)議的基本超幀結構，這種結構適用于所有節(jié)點工作在低傳輸模式的無線體域網(wǎng)。超幀的開始是信標幀，信標幀包含同步與控制信息，如時間戳、信標幀間隔、時隙長度、時隙分配等。信標幀之后是一個可選的廣播階段，該廣播階段是否存在及其長度需要在信標幀中說明。廣播階段被用于從協(xié)調器向所有節(jié)點發(fā)送長廣播信息，該階段存在與否取決于在前一個超幀期間協(xié)調器是否產(chǎn)生或收到需要向節(jié)點進行廣播的長信息。如果協(xié)調器產(chǎn)生了這樣的廣播數(shù)據(jù)，則可以中斷當前超幀并開始一個新的超幀。在新的超幀中，廣播階段將會被激活，協(xié)調器利用此廣播階段對數(shù)據(jù)進行廣播。廣播階段之后是一個包含保證時隙（Guaranteed Time Slots，GTS）［13］的無碰撞階段（CFP），此CFP 階段長度以及GTS 時隙分配同樣在信標幀中進行說明。CFP 階段被用于將大數(shù)據(jù)從節(jié)點傳送到協(xié)調器，或將大數(shù)據(jù)從協(xié)調器傳送到節(jié)點。該階段是否存在取決于前一個超幀期間協(xié)調器或節(jié)點是否產(chǎn)生了大數(shù)據(jù)。如果某些節(jié)點有大數(shù)據(jù)產(chǎn)生，則節(jié)點將在上一個超幀向協(xié)調器報告，協(xié)調器根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級情況決定是否立即中斷此超幀并開始新的超幀。若大數(shù)據(jù)優(yōu)先級足夠高，則當前超幀被立刻中斷并開始一個新的超幀。在新超幀中，CFP 階段被激活并為節(jié)點分配GTS 時隙，節(jié)點將在自己的GTS 時隙將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調器。若協(xié)調器有大數(shù)據(jù)產(chǎn)生并要發(fā)送給某個節(jié)點，協(xié)調器判斷大數(shù)據(jù)優(yōu)先級，若優(yōu)先級足夠高，則中斷此超幀并開始新的超幀，同時在新的超幀信標幀中對情況進行說明，激活CFP 并分配GTS，在GTS 時隙內將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應節(jié)點。

Fig.1 The superframe structure of MAC protocol in this paper圖1 本文MAC 協(xié)議的超幀結構

在CFP 階段之后是一個較長的非活躍階段。因為當所有節(jié)點都工作在低傳輸模式時，網(wǎng)絡內的流量大部分時間會保持在很低的水平，因此一個較長的非活躍階段有助于幫助協(xié)調器和節(jié)點節(jié)約能量，但可能導致節(jié)點數(shù)據(jù)不能被及時發(fā)送到協(xié)調器，或協(xié)調器數(shù)據(jù)不能及時發(fā)送給節(jié)點。因此，本文MAC 協(xié)議使用嵌入時隙（insertion time slots）機制解決此問題。具體來說，就是在非活躍階段插入一些短的嵌入時隙，以傳輸節(jié)點與協(xié)調器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

圖1（a）中的超幀結構僅適用于所有節(jié)點都工作在低傳輸模式的無線體域網(wǎng)，而不能滿足一個有節(jié)點工作在全傳輸模式的無線體域網(wǎng)的需要。為了支持這種無線體域網(wǎng)，本文MAC 協(xié)議設計了如圖1（b）所示的超幀結構。如圖所示，循環(huán)階段取代了圖1（a）中的非活躍階段。一個循環(huán)階段的開始有一個活躍階段，該活躍階段可供全傳輸模式節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，此階段可劃分為任意的復雜結構以適應全傳輸模式節(jié)點的需要。一個循環(huán)階段的剩余部分類似于圖1（a）中的非活躍階段，包含一個長的非活躍階段并插入了許多嵌入時隙。

從圖1 可以看出，一個嵌入時隙包括一個數(shù)據(jù)段和一個確認段，數(shù)據(jù)段又可包含多個數(shù)據(jù)子段。數(shù)據(jù)子段被用來為協(xié)調器和工作在低傳輸模式下的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。如果一個無線體域網(wǎng)內的低傳輸模式流量非常低，則可在一個嵌入時隙內僅配置一個數(shù)據(jù)子段。

在一個嵌入時隙的數(shù)據(jù)子段傳輸?shù)膸环Q作一個嵌入數(shù)據(jù)幀。如圖2 所示，一個幀的總長度為10 個字節(jié)，具有4 個字段。如果此幀是一個上行幀，則地址字段指示了發(fā)送節(jié)點的地址；如果此幀是一個下行幀，則此地址字段指示了接收節(jié)點的地址；如果此幀是一個廣播幀，則此地址應設置為255，也即廣播地址。

Fig.2 Structure of embedded data frame圖2 嵌入數(shù)據(jù)幀結構

圖3 顯示了在確認段傳輸?shù)膸Y構，這樣一個幀被稱作一個嵌入確認幀。嵌入確認幀主要用于確認從節(jié)點發(fā)送到協(xié)調器的數(shù)據(jù)幀。確認幀的長度和結構隨數(shù)據(jù)子段和節(jié)點數(shù)量的變化而變化。

Fig.3 Structure of embedded acknowledgement frame圖3 嵌入確認幀結構

2.2 MAC 協(xié)議操作過程

本文MAC 協(xié)議的操作分為兩種：上行操作和下行操作。上行操作完成從節(jié)點到協(xié)調器的數(shù)據(jù)傳輸，下行操作完成從協(xié)調器到節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。為了支持這些操作，每個節(jié)點或協(xié)調器需要維護一個存儲數(shù)據(jù)幀的列表。這些數(shù)據(jù)幀以優(yōu)先級排列，因此列表的首部存儲著優(yōu)先級最高的數(shù)據(jù)。因為大部分流量都是從節(jié)點到協(xié)調器的，因此大部分數(shù)據(jù)子段被分配為上行子段，只有小部分數(shù)據(jù)子段被分配為下行子段。如果一個無線體域網(wǎng)包含很多節(jié)點，或在某些情況下流量增加，則會出現(xiàn)在一個嵌入時隙間隔產(chǎn)生多個幀的情況。在這種情況下，有必要將節(jié)點分成多個組，每一組分配不同的數(shù)據(jù)子段完成數(shù)據(jù)傳輸，從而有效降低碰撞概率。如圖4 所示，節(jié)點A、B 使用不同的數(shù)據(jù)子段進行傳輸。

Fig.4 Nodes use different data segments to send data to the coordinator圖4 節(jié)點使用不同數(shù)據(jù)子段發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調器

圖5 顯示了協(xié)調器使用一個下行嵌入時隙廣播一個小數(shù)據(jù)或命令幀給所有節(jié)點的操作。這種操作可用來驅動一個執(zhí)行器節(jié)點。數(shù)據(jù)或命令被封裝到數(shù)據(jù)字段并被廣播到所有節(jié)點。所有節(jié)點在數(shù)據(jù)子段都會醒來接收協(xié)調器發(fā)送的幀并檢查幀中的地址字段，如果一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)該幀不是發(fā)送給它的，則丟棄此幀并進入睡眠狀態(tài)；如果一個節(jié)點發(fā)現(xiàn)該幀是發(fā)送給它的，則接收此幀。接收完畢后，一個節(jié)點可能切換進入睡眠模式或執(zhí)行其他操作，這取決于幀的內容。

Fig.5 Coordinator broadcast data to all nodes圖5 協(xié)調器廣播數(shù)據(jù)給所有節(jié)點

3 性能仿真評估

仿真采用一個具有24 個節(jié)點和1 個協(xié)調器的星形無線體域網(wǎng)。仿真工具采用OMNeT++［14］，所有節(jié)點和協(xié)調器的天線設置都基于CC2530［15］。該天線模塊有3 種能量模式：低能耗模式2（Low Power Mode 2）、低能耗模式1（Low Power Mode 1）和活躍模式（Active Mode）。仿真使用6 個MAC 方案：802.15.4［13］、MEM-MAC 以及4 個GN 取不同值的本文MAC 協(xié)議方案。4 個GN 值分別為3、6、12、24，代表每一組節(jié)點集分別有8 個、4 個、2 個、1 個節(jié)點。MEM-MAC和本文MAC 協(xié)議方案的IN 值都設置為4。

3.1 功耗

節(jié)點傳輸不僅傳輸已有數(shù)據(jù)，而且需要傳輸碰撞時產(chǎn)生的額外數(shù)據(jù)，這些操作的功耗［16］計算公式如下：

其中，TData為數(shù)據(jù)子段長度，Ti_data為數(shù)據(jù)傳輸時間，PTX表示當天線處于發(fā)送模式時一個節(jié)點的功率消耗，TCSMA表示一個節(jié)點競爭接入媒體的平均時間，TCSMA可使用如下公式計算：

如圖6 所示，在數(shù)據(jù)率較低的情況下，所有本文MAC協(xié)議的節(jié)點能耗低于802.15.4 和MEM-MAC。

Fig.6 The change of node power consumption with the average data transmission interval圖6 節(jié)點功耗隨數(shù)據(jù)發(fā)送平均間隔的變化情況

協(xié)調器的傳輸操作包括廣播常規(guī)和非常規(guī)信標幀以及確認數(shù)據(jù)幀。因此，協(xié)調器的傳輸功耗［17］可表示為：

如圖7 所示，在流量較低的情況下，如當平均數(shù)據(jù)發(fā)送間隔大于10s，各種MAC 方案的平均功率從高到低依次為：本文MAC 協(xié)議GN=24、本文MAC 協(xié)議GN=12、本文MAC 協(xié)議GN=6、本文MAC 協(xié)議GN=3、802.15.4 和MEM-MAC。

Fig.7 Variation of coordinator power consumption with average data occurrence interval圖7 協(xié)調器功耗隨平均數(shù)據(jù)發(fā)送間隔的變化情況

3.2 平均延遲

下面分析本文MAC 協(xié)議的大數(shù)據(jù)和小數(shù)據(jù)傳輸時延［18］。無論是小數(shù)據(jù)還是大數(shù)據(jù)，其等待時間是一樣的。令IIns為確認時隙間隔，則等待時間為。小數(shù)據(jù)的平均時延可表示為：

大數(shù)據(jù)的平均時延可表示為：

其中，TIns是一個嵌入時隙的長度。IIns、TCAP和TCFP的長度都是在運行中確定的。

圖8、圖9 分別給出了小數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)的平均延遲。由圖可知，隨著平均數(shù)據(jù)發(fā)送間隔縮短，所有幀延遲都會增加。

Fig.8 Influence of average data occurrence interval on average delay of small data圖8 平均數(shù)據(jù)發(fā)送間隔對小數(shù)據(jù)平均時延的影響

Fig.9 Influence of average data occurrence interval on average delay of big data圖9 平均數(shù)據(jù)發(fā)送間隔對大數(shù)據(jù)平均時延的影響

3.3 時隙利用率

本文MAC 協(xié)議的時隙利用率［19］指標可使用節(jié)點和協(xié)調器活躍時間的并集占所有時間的比率來反映，可表示為以下公式：

如圖10 所示，在流量很低的情況下，時隙利用率從低到高為：本文MAC 協(xié)議GN=24、本文MAC 協(xié)議GN=12、本文MAC 協(xié) 議GN=6、本 文MAC 協(xié) 議GN=3、802.15.4 和MEM-MAC。結果表明，時隙數(shù)量越大，時隙利用率越低。

Fig.10 Effect of average data occurrence interval on slot utilization efficiency圖10 平均數(shù)據(jù)發(fā)送間隔對時隙利用效率的影響

4 結語

本文針對低傳輸模式監(jiān)測節(jié)點的需求，設計了一個基于信標的自適應MAC 協(xié)議。本文MAC 協(xié)議采用長超幀結構以降低信標幀收發(fā)能耗，并在超幀的非活躍期插入嵌入時隙以傳輸?shù)蛡鬏斈Ｊ焦?jié)點的流量，同時滿足其QoS 需求。對于具有較多節(jié)點以及流量較高的無線體域網(wǎng)，采用在一個嵌入時隙內設置多個數(shù)據(jù)子段的方法適配較高流量，降低幀碰撞幾率。因此，本文MAC 協(xié)議能夠支持低傳輸模式和高傳輸模式共存的無線體域網(wǎng)。低數(shù)據(jù)率無線體域網(wǎng)流量可能隨時間發(fā)生較大變化，本文MAC 協(xié)議可以改變在一個嵌入時隙內的數(shù)據(jù)子段數(shù)量，因此該協(xié)議具有適配時變低傳輸模式流量的能力。在后續(xù)研究中將針對此問題進行深入研究，包括根據(jù)時變流量優(yōu)化在一個嵌入時隙內的數(shù)據(jù)子段數(shù)量、CAP 階段長度優(yōu)化以及自適應算法設計等。