專利名稱：用于在身體區(qū)域網絡中在同步與異步操作模式之間動態(tài)切換的技術的制作方法
技術領域：
本發(fā)明主要地涉及用于在身體區(qū)域網絡(BAN)中切換操作模式的技術。
背景技術：
身體區(qū)域網絡(BAN)是主要針對生命跡象的持久監(jiān)視和記錄而設計的。圖1中所 示示例性BAN包括多個從屬設備120，這些從屬設備通常為可以佩戴或者植入到人體中的 傳感器。從屬設備120監(jiān)視生命身體參數和移動并且通過無線介質相互通信。從屬設備120 可以從身體向一個或者多個主控設備130發(fā)送數據，該數據可以從該主控設備通過局域網 (LAN)、廣域網(WAN)、蜂窩網等實時轉發(fā)到醫(yī)院、診所或者別處。在設計BAN時的重要因素之一為從屬設備120和/或主控設備130的能量效率。 可以通過在監(jiān)聽狀態(tài)與休眠狀態(tài)之間最優(yōu)地工作循環(huán)(duty cycling)接收方設備(即接收 數據的設備)來實現高效的能量消耗。當設備既不發(fā)送也不接收數據時關斷設備的無線電、 由此減少設備的能量消耗?？梢园凑找允箍臻e監(jiān)聽、竊聽時間、數據發(fā)送的沖突最少并且控 制開銷(這最終實現省電)為目標的介質訪問控制(MAC)來進行工作循環(huán)。在相關領域中公開了若干同步和異步MAC工作循環(huán)技術。同步工作循環(huán)包括定 期通報休眠和喚醒時間表并且同步接收方設備的醒來時間。這需要顯式同步機制(如信標) 以同步時鐘并且通報時間表。諸如SMAC、TMAC和DSMAC等MAC協(xié)議運用顯式同步機制以 同步它們的活躍時間。在 Wei Ye、John Heidemann 和 Deborah Estrin 的“Medium Access Control with Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks (IEEE/ ACM Transactions on Networking、第 12 卷、第 3 期、2004 年 6 月、第 493-506 頁)”公開了 SMAC 1·辦議。在 Tijs van Dam 禾口 Keon Langendoen 的"An Adaptive EnergyEfficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks"(Proceedings of ACM SenSys、2003 年 11 月、 洛杉磯)中描述了 TMAC 協(xié)議。在 Peng Lin、Chunming Qiao 和 Xin Wang 的"Medium Access Control With A Dynamic Duty Cycle For Sensor Networks"(Proceedings of the IEEE WCNC 2004、第 15；34-1539 頁)中討論了 DSMAC。在同步工作循環(huán)MAC協(xié)議中同步設備的活躍時間，其中數據的廣播和多播既簡易 又高效。這一技術也適合于介質保留、移動性支持和共存支持。因而同步機制固有地適合 于保障服務質量(QoS)支持。然而定期同步引起高開銷，這增加能量消耗。此外，發(fā)送方設 備(即發(fā)送數據的設備)通常試著在全局同步的活躍時間期間發(fā)送它們的分組，從而沖突概 率增加。如果潛在發(fā)送方設備失去爭用，則下一機會在下一活躍時間期間到來。另外，在多 跳通信中，在轉發(fā)設備(在源與目的地設備之間的路徑上的設備)接收數據分組之后，它必 須在嘗試發(fā)送該分組之前等待直至下一活躍時間到來。因此，在同步工作循環(huán)技術中的每 跳的延時相對高。
在異步工作循環(huán)期間，發(fā)送方設備和監(jiān)聽方設備(即監(jiān)聽介質的設備)具有獨立的 休眠和醒來時間，其中無需顯式同步機制。前同步碼采樣技術廣泛使用于異步工作循環(huán)MAC 協(xié)議如 WiseMAC、B-MAC 和 X-MAC 中。在 EI-Hoiydi 等人的“risei^CV An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks"(發(fā) 表于 Proceedings of the Ninth IEEE Symposium on Computers and Communication、 ISCC，04、第244-251頁、埃及亞歷山大、2004年6月)中進一步描述了 WiseMAC。在 Polastre^AW"Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks” 中描述了 B-MAC，并且在 Buettner 等人的 “HCV A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks" (ACM SenSys 2006)中發(fā)表了 X-MAC 協(xié)議。如圖2中所示，在前同步碼采樣技術中，所有設備在時間為“IV”的短暫持續(xù)時間 期間定期監(jiān)聽介質、然后如果介質空閑則在時間為“Τα”的持續(xù)時間期間返回到休眠狀態(tài)。 時間Ta—在兩個相繼監(jiān)聽時間IY之間一為校驗區(qū)間。時間區(qū)間Ta和IY的組合為喚 醒時間區(qū)間。當發(fā)送方設備有數據要遞送時，則它發(fā)送比接收方設備的校驗時間區(qū)間Ta更 長的喚醒(WUP)消息210。在前同步碼采樣技術中，WUP消息210僅攜帶前同步碼而不攜帶 任何其它信息。當接收方設備喚醒時，它感測介質并且檢測WUP消息210。這迫使接收方設 備保持醒來直至數據被完全接收和/或介質再次變成空閑。WUP消息210的長度必須比校驗區(qū)間！^工更長以保證接收方設備在實際數據被發(fā)送 時醒來。如果接收方設備的校驗區(qū)間Ta很長，則WUP消息發(fā)送可能很長時間地占用介質、 因此妨礙其它設備訪問介質。異步工作循環(huán)的主要優(yōu)點在于它的簡易性，因為無同步開銷，這可以獲得提高的 能量效率。設備可以獨立更新它們的喚醒時間表。在低工作循環(huán)網絡中，在時間上分布設 備的偵聽時間區(qū)間，這減少沖突和延時概率。偵聽時間區(qū)間為如下最少持續(xù)時間在該持續(xù) 時間期間所有設備必須在它們喚醒之后監(jiān)聽介質。然而廣播/多播在異步模式中效率低， 此外也不能支持介質保留。因而可以在這樣的操作模式中提供和確保的Q0S有限。如根據上述討論可以認識到的那樣，異步和同步工作循環(huán)技術在某些場合中獨立 實現最佳性能。因此將希望提供一種可以通過如應用認為適合的那樣在這些不同技術之間 動態(tài)切換來提高BAN性能的解決方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明的某些實施例包括一種用于在身體區(qū)域網絡(BAN)的介質訪問控制(MAC) 中從同步模式向異步模式轉變的方法。該方法包括各設備接收引起以下操作的切換模式 命令將定時器設置成在切換模式命令中指定的時間段；在時間段到期時將設備調諧到從 為異步模式而保留的信道集合中選擇的信道；并且使設備通過保留的信道在異步模式中操 作。本發(fā)明的某些實施例還包括一種用于在身體區(qū)域網絡(BAN)的介質訪問控制 (MAC)中從異步模式向同步模式轉變的方法。該方法包括各設備接收引起以下操作的切 換模式命令將定時器設置成在切換模式命令中指定的時間段；向BAN中的其它設備傳播 接收的切換模式命令；在時間段到期時調諧到從為異步模式而保留的信道集合中選擇的信 道；并且將設備初始化成在同步操作模式中作為主控設備或者從屬設備來操作。


作為說明書的結論在權利要求書中特別指出和清楚要求保護視為本發(fā)明的主題 內容。根據結合附圖進行的下文具體描述將清楚本發(fā)明的前述和其它特征及優(yōu)點。圖1是身體區(qū)域無線網絡的示意圖。圖2是用于圖示異步工作循環(huán)技術的操作的圖。圖3是用于描述根據本發(fā)明一個實施例實施的用于從同步模式向異步模式轉變 的方法的流程圖。圖4是用于描述根據本發(fā)明一個實施例實施的用于從異步模式向同步模式轉變 的方法的流程圖。
具體實施例方式重要的是注意本發(fā)明公開的實施例僅為這里的創(chuàng)造性教導的諸多有利運用的例 子。一般而言，在本申請的說明書中進行的陳述并非必然限制各種要求保護的任何發(fā)明。另 外，一些陳述可以適用于一些發(fā)明特征、但是并不適用于其它發(fā)明特征。一般而言，除非另 有指明，單數元件可以是復數并且反之亦然而不失一般性。在附圖中，類似標號在若干附圖 內指代類似部分。MAC協(xié)議利用的異步和同步工作循環(huán)技術也稱為BAN的操作模式。因此，同步和異 步MAC工作循環(huán)技術將分別稱為同步和異步模式。在BAN中執(zhí)行的應用可以根據應用的要求在同步與異步模式之間切換以受益于 各模式的優(yōu)點。這在BAN中是重要的，因為這樣的網絡旨在于支持具有不同要求集合的廣 泛應用。例如設備可以在有保障的QoS為應用的要求時向同步模式切換、然后切換回到異 步模式進行超低功率操作。考慮如下典型BAN場景，其中可佩戴的主控設備管理少數植入 的從屬設備。當患者進行淋浴時，主控設備可能未在與植入的從屬設備的直接通信范圍中。 在這一場景中，異步模式可以用來提高植入的設備之間的基本通信能力。異步模式也可以 用作喚醒或者啟動機制。一旦設備醒來并且形成網絡，設備可以向同步模式切換。作為另 一例子，設備可以在主控設備電池為臨界低或者主控設備消失并且無其它設備可以承擔主 控角色時向異步模式切換。如根據本發(fā)明的某些實施例公開的用于在模式之間動態(tài)切換的技術按照為調度 和協(xié)調模式轉變提供掛機(hook)的MAC協(xié)議來進行，其中用于觸發(fā)模式切換的判決由通信 協(xié)議的更高層(例如應用層)進行。如下文公開的那樣，從一個模式向另一模式的切換經常 需要向不同的一個或者多個信道調諧無線電以便防止在同步和異步模式中操作的設備共 存于相同信道上。出于這一目的，將頻率頻帶或者信道分組成兩個集合一個集合限于在同 步模式中操作的設備，而另一集合限于在異步模式中操作的設備。這兩個集合互不相交。圖3示出了用于描述根據本發(fā)明一個實施例實施的用于從同步模式向異步模式 轉變的方法的示例而非限制流程圖300。BAN通常包括兩類設備主控和從屬。在一個優(yōu)選 實施例中，主控設備使用本地信標來與它的從屬設備集合通信，而主控設備可以使用全局 信標來相互通信。在S310，設備從對等設備或者從更高層接收切換模式命令。切換模式命令可以例如包括新模式變成有效的時間、應當用于異步操作模式的信道(頻率頻帶)和應當切換模式 的設備組或者子組的標識。在一個實施例中，可以指定時間值作為距應當執(zhí)行模式切換的 當前時間的偏移。在S320，接收命令的設備檢查它是否屬于在切換模式命令中標識的組，并且如果 這樣則繼續(xù)執(zhí)行S330 ；否則結束執(zhí)行，因為無需設備改變它的模式。也就是說，不屬于在切 換模式命令中標識的組的設備在相同信道上繼續(xù)它們的同步操作模式。在S330，接收切換模式命令并且打算向異步模式切換的各設備將定時器設置成在 切換模式命令中指定的時間量。延遲模式切換的目的在于允許有充分時間讓切換模式命令 在整個網絡內傳播并且預備模式切換。隨著命令傳播而更新在切換模式命令中指定的時間 偏移值以反映新模式變成有效的確切時間。當指定的時間流逝時，接收命令并且打算向異 步模式切換的設備同時向異步操作模式切換，由此使服務中斷最少?？蛇x地，在S340，主控設備在全局信標中廣播或者多播切換模式命令以與對等主 控設備(即在對等連接中相互連接的主控設備)協(xié)調操作模式的改變。從對等設備或者更高 層接收切換模式命令并且打算向異步模式切換的各主控設備可以經由在它的本地信標中 發(fā)送的切換模式命令向它的從屬設備通知即將來臨的模式改變。在S350檢查定時器測量的時間段是否到期，并且如果是這樣則繼續(xù)執(zhí)行S360 ；否 則，在S350等待執(zhí)行。在S360每個設備被調諧到在切換模式命令中標識的信道(即在異步 信道集合中的信道之一)，并且隨后在S370，設備開始在異步模式中進行它們的例行任務。根據本發(fā)明的一個實施例，這些任務包括當BAN的無線介質自由時從發(fā)送方設 備向一個或者多個目標接收方設備發(fā)送喚醒(WUP)消息；確定在發(fā)送方設備的偵測時間區(qū) 間期間至少一個目標接收方設備是否以READY消息進行響應；當未接收READY消息時，確定 發(fā)送方設備發(fā)送的WUP消息的數目是否超過預定義閾值；并且當WUP消息數目超過預定義 閾值時將發(fā)送方設備設置成在TURN模式中操作。在標題為“Duty Cycling Techniques in Medium Access Control (MAC) Protocols for Body Area Networks，，的共同未決申請中 更具體描述了這一操作模式。偵測時間區(qū)間是在發(fā)送WUP消息之后的如下固定持續(xù)時間 在該持續(xù)時間期間發(fā)送方設備監(jiān)聽介質。應當注意在BAN的操作期間一個或者多個從屬設備可能未從它們的主控接收一 個或者多個切換模式命令和/或一個或者多個主控設備可能靜默消失。這可以例如歸因于 信道上的干擾/沖突或者主控設備的故障。為了處置這樣的情形，在預定義時間段期間尚 未從它們的主控設備接收信標的從屬設備掃描信道以檢測來自它們可以加入的另一主控 設備的信標。如果從屬設備在預定義時間段內未發(fā)現它們可以加入的主控設備，則從屬設 備推斷主控設備已經消失并且它們向異步操作模式轉變。在這一情況下，所有從屬設備向 默認(預先安排的)信道轉變以免模糊。圖4示出了用于描述根據本發(fā)明一個實施例實施的用于從異步模式向同步模式 轉變的方法的示例而非限制流程圖400。在S410，設備從對等設備或者從更高層(例如應用層)接收切換模式命令。該命令 可以包括新模式變成有效的將來時間、為同步操作模式而標識的信道(在為同步操作模式 而保留的信道之中)和切換模式命令去往的設備組的標識。在本發(fā)明的一個實施例中，可以 指定時間值作為距應當進行模式切換的當前時間的時間偏移。
在S420，接收命令的設備檢查它是否屬于在切換模式命令中標識的組，并且如果 這樣則繼續(xù)執(zhí)行S430 ；否則，終止執(zhí)行，因為無需設備改變操作模式。也就是說，不屬于在 切換模式命令中標識的組的設備在相同信道上繼續(xù)它們在異步模式中的操作。在S430，打算向同步模式切換的各設備將定時器設置成在接收的切換模式命令中 指定的時間量。延遲切換模式的目的在于允許充分時間讓切換模式命令在整個網絡內傳播 并且預備模式切換。更新在傳出切換模式命令中指定的時間偏移值以反映將要執(zhí)行模式切 換的確切時間。當指定的時間已經流逝時，打算切換它們的模式的設備同時向同步操作模 式切換、由此使服務中斷最少。在S440接收切換模式命令的設備可以廣播或者多播切換模式命令以與它的對等 設備(即在點對點連接中相互連接的設備)協(xié)調操作模式的改變。在S450檢查定時器測量 的時間是否已經到期，并且如果這樣則繼續(xù)執(zhí)行S460 ；否則，在S450等待執(zhí)行。在S460，將準備好切換模式的各設備調諧到在切換模式命令中標識的信道(即在 同步模式信道集合中的信道之一)。在S470將設備初始化成它們如在MAC協(xié)議的同步操 作模式中實施的預定義角色(例如主控或者從屬)。在S480，各主控設備掃描新信道以確定 信道是否由其它主控設備占用。也就是說，各轉變主控設備在現在調諧到的信道中檢查其 它全局信標。在S490檢查信道是否由其它主控設備占用，并且如果是這樣，則在S492，轉 變主控設備加入現有信標組并且開始發(fā)送它們的全局和本地信標；否則，信道空缺，并且在 S494，轉變主控設備開始新的一輪時間并且發(fā)送它的全局信標。轉變的主控設備隨后將發(fā) 現占用的信道并且在S492加入第一主控。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，將對介質的訪問劃分成固定和重復的多輪持續(xù)時 間，其中一輪時間是如下數據結構該數據結構被設計成包括預定義數目的超幀，各超幀包 括固定數目的時間隙。應當注意當從屬設備切換模式時，它掃描信道以檢測從屬設備可以加入的主控設 備的本地信標。一旦檢測到這樣的主控設備，從屬設備加入它的主控設備并且繼續(xù)跟蹤它 的本地信標。如上文陳述的那樣，在BAN的操作期間，一個或者多個設備可能由于信道上的消 息沖突或者干擾而未接收切換模式命令，其中這些設備將不向同步模式切換。為了防止這 一故障，主控設備驗證所有它的鄰居設備是否已經向同步模式切換。如果一個或者多個鄰 居設備尚未轉變，則主控設備在它的空閑時間期間切換回到異步模式(在空閑時間的持續(xù) 時間期間)以重新廣播或者重新多播切換模式命令。本發(fā)明的原理可以實施為硬件、固件、軟件或者其任何組合。另外，軟件優(yōu)選地實 施為在程序存儲單元或者計算機可讀介質上有形實施的應用程序。應用程序可以更新到包 括任何適當架構的機器并且由該機器執(zhí)行。優(yōu)選地，機器實施于具有硬件(比如一個或者多 個中央處理單元(“CPU”)、存儲器和輸入/輸出接口)的計算機平臺上。計算機平臺也可以 包括操作系統(tǒng)和微指令碼。這里描述的各種過程和功能可以是可以由CPU執(zhí)行的微指令 碼的部分或者應用程序的部分或者其任何組合、無論是否顯式示出這樣的計算機或者處理 器。此外，各種其它外圍單元可以連接到計算機平臺，比如附加數據存儲單元和打印單元。這里記載的所有例子和條件語言旨在于教導目的以幫助閱讀者理解本發(fā)明的原 理和發(fā)明人貢獻的概念以促進本領域并且理解為不限于這樣具體記載的例子和條件。另外，這里記載本發(fā)明的原理、方面和實施例及其具體例子的所有陳述旨在于涵蓋其結構和 功能上的等同物。此外旨在于這樣的等同物包括目前已知的等同物以及將來開發(fā)的等同 物、即開發(fā)的進行相同功能而無論結構如何的任何元件。
權利要求
1.一種用于在接收到切換模式命令(S310)時在身體區(qū)域網絡(BAN)的介質訪問控制 (MAC)中從同步模式向異步模式轉變的方法(300)，包括將定時器設置成在所述切換模式命令中指定的時間段(S330)；在所述時間段到期時將設備調諧到從為所述異步模式而保留的信道集合中選擇的信 道(S360)；并且使所述設備通過所述保留的信道在所述異步模式中操作(S370)。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括在所述設備接收所述切換模式命令(S310)并 且向所述BAN中的其它設備傳播所接收的切換模式命令(S340)。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述切換模式命令至少包括將要進行模式切換 的時間、用于所述異步操作模式的信道和應當切換它們的模式的設備組的標識。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述切換模式命令是從對等設備或者應用層發(fā) 送的。
5.根據權利要求4所述的方法，還包括接收到所述切換模式命令的所述設備檢查所 述設備是否屬于在所述切換模式命令中指定的所述設備組(S320)。
6.根據權利要求1所述的方法，還包括當在所述異步模式中操作的每個從屬設備在 預定義持續(xù)時間內不能與主控設備通信時，將所述從屬設備調諧到從所述異步模式信道集 合中選擇的預先安排的信道。
7.一種計算機可讀介質，具有存儲于其上的計算機可執(zhí)行碼，所述計算機可執(zhí)行碼在 執(zhí)行時使計算機或者處理器進行在身體區(qū)域網絡(BAN)的介質訪問控制(MAC)中從同步模 式向異步模式轉變的過程，所述過程包括在設備接收到切換模式命令(S310)時將定時器設置成在所述切換模式命令中指定的 時間段(S330)；在所述時間段到期時將所述設備從為所述異步模式而保留的信道集合中選擇的信道 (S360)；并且使所述設備通過所述保留的信道在所述異步模式中操作(S370)。
8.一種用于在接收到切換模式命令(S410)時在身體區(qū)域網絡(BAN)的介質訪問控制 (MAC)中從異步模式同向步模式轉變的方法(400)，包括將定時器設置成在所述切換模式命令中指定的時間段(S430)；向所述BAN中的其它設備傳播所接收的切換模式命令(S440)；在所述時間段到期時調諧到從為所述異步模式而保留的信道集合中選擇的信道 (S460)；并且將設備初始化成在所述同步操作模式中作為主控設備或者從屬設備來操作(S470)。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述切換模式命令至少包括將要進行模式切換 的時間、用于所述同步操作模式的信道和應當切換它們的模式的設備組的標識。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述切換模式命令是從對等設備或者應用層發(fā) 送的。
11.根據權利要求10所述的方法，還包括接收到所述切換模式命令的所述設備檢查 所述設備是否屬于在所述切換模式命令中指定的所述設備組(S420)。
12.根據權利要求8所述的方法，其中初始化為主控設備的每個設備還進行掃描為所述同步模式而保留的信道以至少檢測由至少一個其它主控設備發(fā)送的全局 信標(S480)；當所述信道由至少一個其它主控設備占用時加入所述至少一個其它主控設備的現有 信標組(S492)；并且當所述信道未由所述至少一個其它主控設備占用時，切換到所述同步模式的所述主控 設備在所述信道上發(fā)送全局信標(S494 )。
13.根據權利要求8所述的方法，還包括當將各設備初始化為從屬設備時，掃描為所 述同步模式而保留的信道以至少檢測由至少一個主控設備發(fā)送的本地信標；并且當在所述 信道上檢測到本地信標時加入所述至少一個主控設備。
14.根據權利要求13所述的方法，還包括主控設備檢查所有它的相應鄰居設備是否 已經切換到同步模式；并且當至少一個鄰居設備尚未切換到所述同步模式時，在空閑時間 期間切換回到所述異步模式以從所述主控設備向它的相應鄰居設備發(fā)送所述切換模式命 令。
15.一種計算機可讀介質，具有存儲于其上的計算機可執(zhí)行碼，所述計算機可執(zhí)行碼 在執(zhí)行時使計算機或者處理器進行在身體區(qū)域網絡(BAN)的介質訪問控制(MAC)中從異步 模式向同步模式轉變的過程，所述過程包括在設備接收到切換模式命令(S310)時將定時器設置成在所述切換模式命令中指定的 時間段(S430)；向所述BAN中的其它設備傳播所接收的切換模式命令(S440)；在所述時間段到期時調諧到從為所述異步模式而保留的信道集合中選擇的信道 (S460)；并且將設備初始化成在所述同步操作模式中作為主控設備或者從屬設備來操作(S470)。
全文摘要
用于在身體區(qū)域網絡(BAN)中在同步與異步操作模式之間動態(tài)切換的技術。一個實施例包括一種用于在BAN的介質訪問控制(MAC)中從異步模式向同步模式轉變的方法(400)。接收到切換模式命令(S410)的設備進行以下動作將定時器設置成在切換模式命令中指定的時間段(S430)；向BAN中的其它設備傳播接收的切換模式命令(S440)；在時間段到期時調諧到從為同步模式而保留的信道集合中選擇的信道(S460)；并且將設備初始化成在同步操作模式中作為主控設備或者從屬設備來操作(S470)。另一實施例包括一種用于在身體區(qū)域網絡(BAN)的MAC中從同步模式向異步模式轉變的方法(300)。
文檔編號H04W36/14GK102119556SQ200980131212
公開日2011年7月6日 申請日期2009年8月7日 優(yōu)先權日2008年8月11日
發(fā)明者M·D·帕特爾, 陳羿 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司