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?？刂茻o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(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，表明區(qū)分業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)的IEEE 802.15.6協(xié)議在低能耗的前提下，保證了高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?，具備更低的?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(hào)： TN915.04????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jí)電子設(shè)備進(jìn)行通信，把人體加入通信網(wǎng)絡(luò)，擺脫了運(yùn)動(dòng)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(biāo)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(shí)時(shí)性，其在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，醫(yī)療領(lǐng)域[2]和日?；顒?dòng)，娛樂和軍事領(lǐng)域都有巨大的發(fā)展?jié)摿?。相?yīng)的，當(dāng)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(bǔ)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(xiàng)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(fù)責(zé)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理無線信道，MAC層對(duì)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(shí)MAC層負(fù)責(zé)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(jìn)能量利用結(jié)構(gòu)[9]，改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(jì)用來適應(yīng)千變?nèi)f化的應(yīng)用場(chǎng)景[11-12]。在無線體域網(wǎng)中，MAC協(xié)議設(shè)計(jì)更加看重低信道丟包率，同時(shí)要盡可能保持更低能耗。在當(dāng)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(duì)不同場(chǎng)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(shí)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(jí)也不一樣。為推動(dòng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(gè)不同的用戶優(yōu)先級(jí)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(biāo)的超幀模式（Beacon mode with beacon peri ods），不帶信標(biāo)的超幀模式（Non-beacon mode with superframes）和不帶信標(biāo)的非超幀模式（Non-beacon mode without superframes）。在信標(biāo)超幀模式中，IEEE 802.15.6將超幀結(jié)構(gòu)分為：獨(dú)占訪問階段1（exclusive access phase 1，?EAP1），隨機(jī)訪問階段1（random access phase 1，?RAP1），管理訪問階段（managed access phase，?MAP），獨(dú)占訪問階段2（exclusive access phase 2，?EAP2），隨機(jī)訪問階段2（random access phase 2，?RAP2），另一個(gè)管理訪問階段（managed access phase ，MAP），競(jìng)爭(zhēng)訪問階段（contention access phase ，CAP）。

其中RAP1長(zhǎng)度不可為0，其余階段根據(jù)應(yīng)用需求可將長(zhǎng)度設(shè)置為0。EAP階段用于高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)eap階段結(jié)束，高優(yōu)先級(jí)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(jí)的時(shí)隙CSMA/CA協(xié)議或者時(shí)隙aloha協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 ?CSMA/CA

在無線通信中，信道沖突是一個(gè)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(jī)制是無線通信協(xié)議的重要組成部分。CSMA/CA機(jī)制要求在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送到信道之前，要先進(jìn)行信道監(jiān)聽，如果介質(zhì)達(dá)到發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀;否則，該數(shù)據(jù)幀等待當(dāng)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(jī)制中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，首先進(jìn)行信道檢測(cè)，當(dāng)信道空閑，則發(fā)送數(shù)據(jù)幀，否則就凍結(jié)退避器，當(dāng)退避器為零，發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送不成功，進(jìn)入數(shù)據(jù)重傳，當(dāng)重傳次數(shù)達(dá)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(jī)制通過優(yōu)先級(jí)差異化來保證高優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的流量傳輸?shù)目煽啃?，通過劃分8個(gè)優(yōu)先級(jí)，設(shè)定不同的重傳次數(shù)，用戶首先根據(jù)優(yōu)先級(jí)獲得一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)窗口CW和退避計(jì)數(shù)器，以確定節(jié)點(diǎn)何時(shí)獲得新的競(jìng)爭(zhēng)分配，如表1所示。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器退避為零，節(jié)點(diǎn)獲得一次發(fā)送機(jī)會(huì)，當(dāng)發(fā)送失敗重新初始化或者重傳時(shí)，重新設(shè)置競(jìng)爭(zhēng)窗口

CW，并根據(jù)競(jìng)爭(zhēng)窗口CW重新設(shè)置退避計(jì)數(shù)器，退避計(jì)數(shù)器應(yīng)在[1，CW]隨機(jī)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(jī)制流程如圖3所示。

3??仿真分析

3.1??仿真環(huán)境

實(shí)驗(yàn)使用基于OMNet++的castalia插件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)共分為兩組，一組對(duì)IEEE 802.15.4協(xié)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用時(shí)隙CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，另一組為IEEE 802.15.6實(shí)驗(yàn)，使用協(xié)議的基于優(yōu)先級(jí)的CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議，兩組實(shí)驗(yàn)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(duì)比試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)仿真非飽和環(huán)境和飽和環(huán)境，實(shí)驗(yàn)共使用17個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，16個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)在IEEE 802.15.4實(shí)驗(yàn)下，無優(yōu)先級(jí)，在IEEE 802.15.6實(shí)驗(yàn)下，每個(gè)普通節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)Upk（0，1，2，3，4，5，6，7），實(shí)驗(yàn)時(shí)間time為50秒，對(duì)丟包率和能耗進(jìn)行比較。

3.2??丟包率

無線體域網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)nk發(fā)送N個(gè)數(shù)據(jù)包，中心節(jié)點(diǎn)hub成功接收到K個(gè)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(jí)業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的低丟包率，降低無線信道沖突，保障高優(yōu)先級(jí)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(jìng)爭(zhēng)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(jí)用戶的數(shù)據(jù)幀傳輸。

4??結(jié)論

本文對(duì)無線體域網(wǎng)進(jìn)行了探討，對(duì)當(dāng)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(duì)比試驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)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(jí)的數(shù)據(jù)幀傳輸保持低丟包率，同時(shí)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(jì)，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(jì)保證讓IEEE 802.15.6的未來有更好，更廣泛的應(yīng)用。

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