無線體域網(wǎng)MAC層IEEE802.15.6協(xié)議研究

蘇禮輝　張重慶

摘 ?要： 在無線體域網(wǎng)中，IEEE 802.15.6協(xié)議可以滿足不同的體域網(wǎng)應(yīng)用要求。控制無線信道和能量消耗的MAC層協(xié)議在保障高服務(wù)質(zhì)量，低功耗和高數(shù)據(jù)傳輸率方面有更好的保障。通過與IEEE 802.15.4協(xié)議進行實驗對比，表明區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級的IEEE 802.15.6協(xié)議在低能耗的前提下，保證了高優(yōu)先級業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃裕邆涓偷臄?shù)據(jù)丟包率，適用于各種要求高數(shù)據(jù)傳輸率，高服務(wù)質(zhì)量和高安全性的醫(yī)療和非醫(yī)療應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：?無線體域網(wǎng);IEEE 802.15.6;IEEE 802.15.4;CSMA/CA

中圖分類號： TN915.04????文獻標識碼：?A????DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.042

【Abstract】： In the wireless body area network， the IEEE 802.15.6 protocol can meet different body area network application requirements. The MAC layer protocol that controls the wireless channel and energy consumption is better protected against high quality of service， low power consumption and high data transmission rate. Compared with the IEEE 802.15.4 protocol， the IEEE 802.15.6 protocol， which prioritizes service priorities， guarantees the reliability of high-priority service transmission and has a lower data packet loss rate. For a variety of medical and non-medical applications requiring high data rates， high quality of service and high security.

【Key words】： WBAN; IEEE 802.15.6; IEEE 802.15.4; CSMA/CA

0??引言

無線體域網(wǎng)[1]，綜合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等，以人體為中心，通過人體體內(nèi)，表面或附近的微型，低功率和輕量級電子設(shè)備進行通信，把人體加入通信網(wǎng)絡(luò)，擺脫了運動空間受限等問題。

無線體域網(wǎng)繼承無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)標志，使用各種不同的具備感知，信息收集等功能傳感器和電子設(shè)備，通過無線通信形成分布式自組織網(wǎng)絡(luò)，將人類信息通過無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)在一起，由其便利性和實時性，其在實時監(jiān)測，醫(yī)療領(lǐng)域[2]和日常活動，娛樂和軍事領(lǐng)域都有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＯ鄳?yīng)的，當前無線體域網(wǎng)絡(luò)也存在各種挑戰(zhàn)，主要集中在能耗和安全性問題上。傳感器受其尺寸有限影響，一般采用電池供能，通常消耗能量無法得到補充，如何更加有效使用能量，是其重要問題[3]。同樣的，在一些如需高保密性的項目中，安全問題也是尤其重要。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4-8]通信協(xié)議分為物理層，數(shù)據(jù)鏈路層（即MAC層），網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層和應(yīng)用層，其中MAC層負責為整個網(wǎng)絡(luò)管理無線信道，MAC層對無線信道的利用效率關(guān)系無線網(wǎng)絡(luò)的整體性能高低。同時MAC層負責協(xié)調(diào)無線傳感器能量使用，降低能耗，提高能量使用率也是MAC層的重要使命，各種從改進能量利用結(jié)構(gòu)[9]，改進網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[10]等提升網(wǎng)絡(luò)壽命，作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，不同的MAC協(xié)議被設(shè)計用來適應(yīng)千變?nèi)f化的應(yīng)用場景[11-12]。在無線體域網(wǎng)中，MAC協(xié)議設(shè)計更加看重低信道丟包率，同時要盡可能保持更低能耗。在當前，用于無線體域網(wǎng)的無線通信協(xié)議有很多，諸如IEEE 802.15.4協(xié)議和基于802.15.4針對不同場景的派生協(xié)議等，但這些協(xié)議初衷并不是為了無線體域網(wǎng)而生，很多時候不能滿足無線體域網(wǎng)絡(luò)的要求，在無線體域網(wǎng)中，與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單一業(yè)務(wù)相比，WBAN業(yè)務(wù)更加多樣，根據(jù)數(shù)據(jù)類型不同，優(yōu)先級也不一樣。為推動WBAN規(guī)范化，2012年，IEEE 802.15.6工作組第六任務(wù)組制訂了滿足不同應(yīng)用需求的無線體域網(wǎng)國際標準IEEE 802.15.6[13]。

1 ?IEEE 802.15.6

IEEE 802.15.6協(xié)議規(guī)定了物理層和mac層協(xié)議規(guī)范，物理層定義了窄帶物理層（Narrowband PHY），超寬帶物理層（Ultra wideband PHY），人體通信物理層（Human body communications PHY）三種物理層。MAC層根據(jù)不同的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型，分為了8個不同的用戶優(yōu)先級Up，如表1所示。

根據(jù)不同應(yīng)用需求，設(shè)定三種不同的訪問模式：帶信標的超幀模式（Beacon mode with beacon peri ods），不帶信標的超幀模式（Non-beacon mode with superframes）和不帶信標的非超幀模式（Non-beacon mode without superframes）。在信標超幀模式中，IEEE 802.15.6將超幀結(jié)構(gòu)分為：獨占訪問階段1（exclusive access phase 1，?EAP1），隨機訪問階段1（random access phase 1，?RAP1），管理訪問階段（managed access phase，?MAP），獨占訪問階段2（exclusive access phase 2，?EAP2），隨機訪問階段2（random access phase 2，?RAP2），另一個管理訪問階段（managed access phase ，MAP），競爭訪問階段（contention access phase ，CAP）。

其中RAP1長度不可為0，其余階段根據(jù)應(yīng)用需求可將長度設(shè)置為0。EAP階段用于高優(yōu)先級業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，當eap階段結(jié)束，高優(yōu)先級數(shù)據(jù)未傳輸完成，將占用rap階段。EAP，RAP，CAP階段使用基于優(yōu)先級的時隙CSMA/CA協(xié)議或者時隙aloha協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 ?CSMA/CA

在無線通信中，信道沖突是一個重要問題，避免無線信道中發(fā)生的數(shù)據(jù)沖突的載波偵聽/沖突避免（CSMA/CA）機制是無線通信協(xié)議的重要組成部分。CSMA/CA機制要求在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送到信道之前，要先進行信道監(jiān)聽，如果介質(zhì)達到發(fā)送標準，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀;否則，該數(shù)據(jù)幀等待當前數(shù)據(jù)幀傳輸完成再發(fā)送。在IEEE 802.15.4協(xié)議的CSMA/CA 機制中，當節(jié)點有數(shù)據(jù)要發(fā)送，首先進行信道檢測，當信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則就凍結(jié)退避器，當退避器為零，發(fā)送數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，進入數(shù)據(jù)重傳，當重傳次數(shù)達到頂值，丟棄數(shù)據(jù)幀。IEEE 802.15.4協(xié)議CSMA/CA流程圖如圖2所示。

相比IEEE 802.15.4協(xié)議，IEEE 802.15.6協(xié)議的CSMA/CA機制通過優(yōu)先級差異化來保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的流量傳輸?shù)目煽啃裕ㄟ^劃分8個優(yōu)先級，設(shè)定不同的重傳次數(shù)，用戶首先根據(jù)優(yōu)先級獲得一個競爭窗口CW和退避計數(shù)器，以確定節(jié)點何時獲得新的競爭分配，如表1所示。當退避計數(shù)器退避為零，節(jié)點獲得一次發(fā)送機會，當發(fā)送失敗重新初始化或者重傳時，重新設(shè)置競爭窗口

CW，并根據(jù)競爭窗口CW重新設(shè)置退避計數(shù)器，退避計數(shù)器應(yīng)在[1，CW]隨機取值，CW取值應(yīng)該遵循如下規(guī)則：

IEEE 802.15.6協(xié)議CSMA/CA機制流程如圖3所示。

3??仿真分析

3.1??仿真環(huán)境

實驗使用基于OMNet++的castalia插件進行實現(xiàn)。實驗共分為兩組，一組對IEEE 802.15.4協(xié)議進行實驗，使用時隙CSMA/CA競爭協(xié)議，另一組為IEEE 802.15.6實驗，使用協(xié)議的基于優(yōu)先級的CSMA/CA競爭協(xié)議，兩組實驗規(guī)定數(shù)據(jù)包速率Prate分為10包/秒，20包每秒，30包/秒三組對比試驗，對應(yīng)仿真非飽和環(huán)境和飽和環(huán)境，實驗共使用17個節(jié)點，一個中心節(jié)點，16個普通節(jié)點，每個普通節(jié)點在IEEE 802.15.4實驗下，無優(yōu)先級，在IEEE 802.15.6實驗下，每個普通節(jié)點對應(yīng)優(yōu)先級Upk（0，1，2，3，4，5，6，7），實驗時間time為50秒，對丟包率和能耗進行比較。

3.2??丟包率

無線體域網(wǎng)中，節(jié)點nk發(fā)送N個數(shù)據(jù)包，中心節(jié)點hub成功接收到K個數(shù)據(jù)包，丟包率Drop=（N-K）/N，其中N=Prate*time。

如圖4所示，可以看到，無論在非飽和流量信道還是飽和流量信道，IEEE 802.15.6協(xié)議都可以保證高優(yōu)先級業(yè)務(wù)節(jié)點的低丟包率，降低無線信道沖突，保障高優(yōu)先級用戶的可靠性，健壯性。

3.3??能耗

無線體域網(wǎng)的能量總消耗包括數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量和CSMA/CA競爭消耗的能量，還有網(wǎng)絡(luò)中處于睡眠狀態(tài)消耗的能量。

從上圖可以看出，數(shù)據(jù)傳輸需要消耗更多能量，在飽和網(wǎng)絡(luò)中，IEEE 802.15.6協(xié)議和IEEE 802.15.4同樣可以保持較低能耗。相近情況下，IEEE 802.15.6能更好處理高優(yōu)先級用戶的數(shù)據(jù)幀傳輸。

4??結(jié)論

本文對無線體域網(wǎng)進行了探討，對當前應(yīng)用于無線體域網(wǎng)的經(jīng)典MAC層協(xié)議IEEE 802.15.4和IEEE 802.15.6做了對比試驗，從實驗結(jié)果可以看出，在無線體域網(wǎng)的可靠性和能耗方面，IEEE 802.15.6在飽和流量信道網(wǎng)絡(luò)和非飽和網(wǎng)絡(luò)都可以保障高用戶優(yōu)先級的數(shù)據(jù)幀傳輸保持低丟包率，同時能耗保持在低消耗狀態(tài)。IEEE 802.15.6協(xié)議為無線體域網(wǎng)設(shè)計，相比現(xiàn)在應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)的無線通信協(xié)議，有更高的優(yōu)越性，高Qos，低能耗，高安全性設(shè)計保證讓IEEE 802.15.6的未來有更好，更廣泛的應(yīng)用。

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