無線體域網高能效競爭接入機制研究*

劉 帆，高偉東，胡 煒，劉景文，池連剛

（1.北京大學人民醫院 信息中心，北京100044；2.普天信息技術有限公司 系統規劃部，北京100080）

無線體域網高能效競爭接入機制研究*

劉 帆1，高偉東2，胡 煒2，劉景文2，池連剛2

（1.北京大學人民醫院 信息中心，北京100044；2.普天信息技術有限公司 系統規劃部，北京100080）

低能耗是無線體域網 WBAN通信最重要的指標。構建了 IEEE 802.15.6無線體域網CSMA/CA競爭接入的功耗模型，分析了用戶優先級、MAC幀負荷尺寸和數據到達量對信道接入能耗的影響，提出了一種通過數據匯聚傳輸提高能量效率的增強型信道接入方法。仿真結果表明，在低業務量及混合業務場景下，所提方法能夠顯著減少信道接入的能量消耗。

無線體域網；競爭接入；低能耗；匯聚傳輸

0 引言

隨著傳感器技術和短距離無線通信技術的發展，可穿戴式設備逐漸興起，并廣泛應用于運動、健身、遠程醫療和家庭健康監測等領域[1]?？纱┐魇皆O備尺寸小且能量受限，對能耗提出了極高的要求，需要進行超低功耗設計[2-3]。為了解決已有短距離無線通信標準在功耗方面的不足，IEEE于 2007年成立了 TG6標準工作組，目標是制定穿戴式設備和植入式設備專屬的低功耗、安全可靠的無線體域網(Wireless Body Area Networks，WBAN)通信標準[4]。

自IEEE 802.15.6標準發布之日起，該標準就受到了廣泛關注，業界基于該標準開展了大量研究工作，目標是降低WBAN系統功耗，提高傳輸的可靠性，增加系統吞吐量。文獻[5]、文獻[6]從吞吐量和時延的角度對IEEE 802.15.6的 CSMA/CA機制進行了研究，但是沒有對WBAN系統的功耗指標進行分析。文獻[7]和文獻[8]對WBAN中的定時信道接入機制的能量效率進行了分析，但是沒有對隨機信道接入機制進行研究。本文對IEEE 802.15.6的 CSMA/CA接入機制的能量效率進行了分析，首先建立了平均能耗模型，并在此能耗模型框架下提出了一種增強型的信道接入機制。該方法通過對混合業務進行匯聚傳輸，減少CSMA/CA接入中空閑信道評估(Clear Channel Assessment，CCA)的能耗，進而降低數據的平均能耗。

1 能量效率評估

1.1 傳輸時延建模

在理想信道條件下，不考慮數據在終端節點中協議層之間傳遞所需的能量，CSMA/CA接入及數據傳輸消耗的能量由CCA、發送MAC幀和中心節點接收ACK幀所消耗的能量構成。

(1)CCA的時間

不考慮多用戶的競爭，終端節點獲得一次競爭分配需要進行CCA的總時間為：

其中：CWmin[UP]是優先級為 UP的業務對應的最小競爭窗長；TCCA是終端節點在一個CSMA時隙內進行 CCA的時間。

(2)MAC幀發送時間

終端節點發送一個MAC幀的時間為：

其中：TP=LP/RP是物理層匯聚協議(Physical Layer Convergence Protocol，PLCP)前導碼的發送時間，LP是 PLCP前導碼的長度，RP是PLCP前導碼的發送速率；TPHR=LH/RH是PLCP頭部的發送時間，LH是 PLCP頭部的長度，RH是PLCP頭部的發送速率；LMHR是 MAC頭部的長度；LFB是數據幀負荷的長度，滿足 0≤LFB≤255；LFCS是MAC幀校驗序列的長度；RDATA是MAC幀的發送速率。

(3)ACK幀時間

ACK幀只包含MAC頭部和幀校驗序列，采用與數據相同的發送速率，ACK幀的發送時間為：

1.2 傳輸時延建模

(1)平均能耗下限

考慮 full-buffer業務，終端節點每比特的平均能耗下限（J/bit）為：

其中：PCCA是終端節點 CCA的功率，PTX是終端節點發送MAC幀的功率，PRX是終端節點接收ACK幀的功率。

將式(1)～式(3)代入式(4)并進行化簡得到：

其中A和B都是常數，表達式如下：

在實際WBAN中，數據傳輸具有一定時延要求，因此還需考慮業務對時延的要求。假設業務的用戶優先級為UP，數據到達率服從泊松分布，最大時延要求為T，則在0～T時間內到達m個MAC幀的概率為：

其中：λ是泊松分布參數，m=0，1，2，…，+∞。在0～T時間內到達的MAC幀數量期望值為Np=λT。

每次競爭接入能夠發送的 MAC幀數量最多為Nmax，發送Np個MAC幀需要發起競爭接入的次數NC為：

根據式(1)～式(3)和式(9)～式(10)，可以得到：

其中：A和B的表達式分別見式(6)和式(7)，不等式成立的條件是 λT/Nmax為整數。

2 匯聚傳輸

在WBAN中，單個終端節點上可能會同時存在多個業務，因此需研究混合業務情況下的平均能耗?？紤]兩個業務的場景，當終端緩存了多種具有不同優先級的數據時，可以采用不同的數據傳輸機制。

(1)獨立傳輸。每種業務使用自身的 UP值進行競爭接入，在獲得的競爭分配內只發送對應的業務。

(2)匯聚傳輸。使用低用戶優先級業務的UP進行競爭接入，在獲得的競爭分配內發送本用戶優先級的數據以及具有更高用戶優先級的數據。

假設終端節點緩存中存在 m(m≥1)個業務的數據，索引為 i的業務的MAC幀個數分別為 Ni(i=1，2，…，m)且 Ni＞0(i=1，2，…，m)，對應的用戶優先級分別為 UP1，UP2，…，UPm且滿足 UP1≥UP2≥…≥UPm，在一個競爭分配內最多能夠發送的 MAC幀數量分別為 Nmax_i(i=1，2，…，m)。匯聚傳輸的流程如下：

(2)計算每個業務的 Ni%Nmax_i(i=1，2，…，m)值，若Ni%Nmax_i≠0，則該業務的 Ni%Nmax_i個 MAC幀與其他業務的數據匯聚傳輸。

直到所有MAC幀都劃分到相應的組。

(5)將每個組中所有 MAC幀 UP值的最大值作為整個組的UP值，并按照組UP值從大到小的順序對所有組進行降序排序。如果多個組對應相同的UP值，則組中所有MAC幀的UP平均值較大的排序在前。如果多個組中的MAC具有相同的平均UP值，則對這些組進行隨機排序。

(6)對于排序后的組，利用組 UP值進行競爭接入，并在獲得的競爭分配內發送該組內的MAC幀。

通過定性分析可知：獨立傳輸機制實現比較簡單，匯聚傳輸機制具有更高的能量效率。

3 仿真結果

本節仿真評估了CSMA/CA接入的平均能耗以及匯聚傳輸機制的性能，相應的仿真參數設置如表1所示。

表1 仿真參數

單業務下的平均能耗下限如圖1所示。從圖中可以看出，在單業務的情況下，高用戶優先級業務的每比特平均能耗低于低用戶優先級業務的每比特平均能耗。因為用戶優先級越高，CWmin[UP]值越小，在單次競爭資源內可以發送的數據包越多。由圖1還可以看出，相鄰的兩個用戶優先級（UP=0&1，UP=2&3，UP=4&5）兩兩具有相同的能量效率，因為相鄰的用戶優先級對應相同的CWmin[UP]/Nmax值。

圖1 不同用戶優先級業務每比特平均能耗下限

圖2是不同幀負荷長度下的每比特平均能耗曲線。從圖中可以看出，隨著幀負荷長度的增加，每比特的平均能耗呈現下降趨勢，原因是幀負荷長度越小，數據中的有效信息越少，能量效率也就越低。當幀負荷長度小于 50 B時，隨著幀負荷長度的減小，每比特的平均能耗顯著增加，這意味著在WBAN中發送MAC幀時，為了維持較高的能量效率，要避免采用很小的幀負荷長度值。當幀負荷長度在50～255 B之間時，每比特的平均能耗數值相差不大，原因是開銷比特長度固定，隨著幀負荷長度的增加，一個MAC幀中有效信息比特的占比增加有限。

圖2 不同幀負荷長度下每比特平均能耗

圖3 不同數據到達下匯聚傳輸的性能

獨立傳輸和匯聚傳輸的性能比較如圖3所示。假設業務1和業務2的用戶優先級都為6，并且數據到達量相同，則在任何情況下匯聚傳輸的平均能耗都不高于獨立傳輸，但是隨著數據量的增加，二者的性能逐漸接近。當MAC幀數量小于5時，匯聚傳輸的性能增益最為明顯，最高可達5.1%。在個別特定的點上，獨立傳輸與混合傳輸具有相同的能量效率，因為在這些場景下兩種數據傳輸機制對MAC幀的發送處理過程相同。但是，在實際的WBAN網絡中，數據到達是隨機的，為了能夠使傳輸能耗始終維持在較低水平，應該優先采用匯聚傳輸機制。

4 結論

本文建立了理想信道條件下WBAN中CSMA/CA接入的能耗模型，分析了CSMA/CA各參數取值對系統能耗的影響，并針對小數據量業務CCA能耗過高的問題提出了一種數據匯聚傳輸方法。仿真結果表明，高用戶優先級業務的傳輸能量效率高于低用戶優先級；系統能量效率對MAC幀負荷的長度十分敏感，頻繁發送短MAC幀負荷會導致較大的能量浪費；通過對小數據量業務進行匯聚傳輸，能夠有效降低系統能耗。后續將基于本文的能耗模型，建立能夠降低系統能耗的鏈路自適應算法,并就在實際WBAN信道環境下的信道接入改進方法進行研究。

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[4]IEEE 802.15.6-2012 IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks-Part 15.6：Wireless Body Area Networks[S].New York：IEEE，2012.

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Research on energy efficient contention access mechanism for wireless body area networks

Liu Fan1，Gao Weidong2，Hu Wei2，Liu Jingwen2，Chi Liangang2
(1.Information Center,Peking University People′s Hospital,Beijing 100044,China; 2.System Planning Department,Potevio Information Technology Co.,Ltd.,Beijing 100080,China)

Low power consumption is one of the most important metrics in Wireless Body Area Network(WBAN)communications.This paper firstly establishes the power consumption model for CSMA/CA based random access in IEEE 802.15.6 WBAN and evaluates the impact of the parameters,including User Priority,MAC frame payload size and the amount of data arrival,on the performance of energy efficiency.Then an enhanced channel access method that can improve the energy efficiency via aggregation transmission is proposed.Simulation results show that the proposed method can significantly reduce the energy consumption of channel access in the case of low traffic and hybrid traffic scenarios.

wireless body area network;contention access;low power consumption;convergence transmission

TN929.5

A

0258-7998(2015)04-0105-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.025

2014-09-18）

劉帆（1976-），男，碩士，副主任醫師，主要研究方向：醫療物聯網、醫療信息化。

高偉東（1981-），男，博士，高級工程師，主要研究方向：信號與信息處理、無線通信。

胡煒（1977-），男，博士，教授級高工，主要研究方向：無線通信、醫療物聯網。

國家科技重大專項（2013ZX03005008001）；工信部物聯網發展專項資助項目（2012-1-4）