[发明专利]一种实现MAC层接入的方法及传感器节点

说明书

技术领域

本发明涉及无线体域网技术，尤指一种实现媒体访问控制(MAC)层接 入的方法及传感器节点。

背景技术

在如今大数据时代的大背景下，一系列基于大数据的应用给工程、商业 乃至医疗领域带来了新的挑战和机遇。在这场数据革命中，随着无线通信和 半导体技术的快速发展，用于人体生理信息采集的无线传感器变得日益小巧 实用，这使得无线传感器所采集到的人体生理信息呈现出爆炸式的增长。这 些海量的非结构化数据给由各种适用于人体的传感器所组成的无线体域网带 来了新的挑战。

无线体域网通常由各种遍布于体内外的医用传感器节点(Node)和一个 中心节点(Hub)组成，是一种用于体表或体内生物体征信息的监控及部分无 线应用的短距离低功耗无线通信网络。典型的无线体域网的组成如图1所示。 无线体域网主要有以下三个特点：一是，节点间通信距离短(体表附近)， 网络拓扑多为星形拓扑；二是，面向医疗应用的传感器通常为可穿戴或者需 要植入体内的传感器，考虑到人体舒适性和体内植入的难度，无线体域网对 传感器的体积和功耗都有较为严格的要求；三是，各传感器节点产生的业务， 尤其是紧急业务应能及时可靠地传输到Hub。

传感器节点的主要功耗在于无线射频模块的收发以及MAC上，中心节 点由于需要做汇聚及与外部网关或远程控制中心通信的任务，功耗相对会大 一点。在无线体域网这种多个传感器节点共用一个信道的分布式网络中， MAC层常用的接入方式为载波(媒体)监听多重存取(CSMA，CarrierSense MultipleAccess)/冲突避免(CA，CollisionAvoidance)，由CSMA/CA的基 本原理可知，其不可避免地会产生冲突及重传，这将会导致较多的能量消耗。 IEEE802.15.6中规定的CSMA/CA，虽然对不同用户优先级的业务采用了不 同的竞争窗口值(CW)，但其退避规则仍和原始CSMA/CA大致相同，这也 就意味着在节点数目增多时，传输数据包时的冲突概率将会大大增加，为了 尽可能保证各传感器节点采集的生理信息的可靠、高效传输，延长无线体域 网的持续生存时间，一种低功耗、低时延的MAC层接入方法亟待被提出应 用。

在申请号为“201310141601.X”，发明名称为“一种实时任务调度的医疗 体域网MAC接入方法”的申请中，公开的MAC接入方案需要使用冲突解决 队列和数据传输队列两种队列，同时还引入了微时隙和数据时隙来分别传输 接入请求和无冲突数据。这种方案虽然可以根据节点和网络的实际情况动态 调整网络中节点的传输顺序以提高服务质量，但是，同时也不可避免地增加 了MAC层协议的复杂性，在实际应用中是难以实现的。

在无线体域网尤其是应用于医疗领域的体域网中，紧急业务的传输是一 项重要的衡量指标，相关技术中提出的在超帧中插入适量的小的空闲时隙专 门用于紧急业务的传输的方案，虽然这些空闲时隙的数目可以由统计规律给 出一些参考，但是在实际应用中还是会产生一些不必要的时隙浪费，这将降 低全网的吞吐量；而且在实际的医疗场景中，紧急业务出现的频率通常不会 太高，因此这种方法实用性并不高。

在IEEE802.15.6协议中，传感器节点在传输数据包时，首先根据相应数 据包的用户优先级选取相应的竞争窗口CW，然后从[1,CW]中随机选取一个 数作为退避计数器的值，进行退避计数。在退避计数器件，传感器节点侦听 信道：若信道状态为空闲，则退避计数器减1；若信道状态为忙，则退避计 数器的值被锁住，直到再次侦听到信道状态为空闲，退避计数器的值从刚才 被锁住的值继续做减1计数。直到退避计数器的值递减为0，此时，传感器 节点开始发送数据包。这种静态的CSMA/CA接入协议实现起来虽然较为简 单，但是，对于无线体域网(WBAN)而言，不同传感器节点的采样率和数 据格式(如心率和血压信息)不尽相同，因此，对于不同节点来说，其数据 到达率往往相差较大；由于医疗应用需求，同一传感器节点的采样率在人体 处于不同生理状态时其数据采样率也略微有些变化，比如，在心电图(ECG) 监测中，对于出现可疑的紧急状况时，会提高采样率以提供更为详细的信息， 也就是说，对于同一节点其数据包到达率在不同时刻也不太一样。