基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是針對(duì)無線低功耗人體局域網(wǎng)技術(shù)提出的，具體涉及一種基于自適應(yīng)輪詢 的低功耗體域網(wǎng)的接入控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 無線人體親合通信（WirelessBody-CoupledCommunication,WBCC)是一種以人 體軀干為中心，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)人體內(nèi)外、人體與周圍固定或移動(dòng)終端之間數(shù)據(jù)交換的 新型通信方式，是一種特殊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks,WSNs)。與傳統(tǒng) 無線通信手段相比，該技術(shù)功耗低、保密性高，對(duì)人體的損害也較少，而且能夠很好地解決 傳統(tǒng)無線通信在多點(diǎn)接入時(shí)通信效率降低的問題，有望取得比傳統(tǒng)無線通信方式更好的應(yīng) 用效果。
[0003] 無線人體局域網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療、導(dǎo)航定位、個(gè)人多媒體以及軍事等方面具有非常廣 闊的應(yīng)用前景，如智能診斷、治療，智能運(yùn)輸，智能服裝等，而這些應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)均以低功耗無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展為基礎(chǔ)，所以設(shè)計(jì)低功耗接入控制方法具有非常重要的意義。
[0004] 現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接入控制方法主要分為同步法和異步法兩大類，其中同步 法主要有S-MAC，T-MC等，這類方法最鮮明的特點(diǎn)是所有節(jié)點(diǎn)周期性地休眠和清醒，而異 步方法則采用大于休眠時(shí)間的長(zhǎng)信號(hào)幀來喚醒接收節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，其中具有代表 性的算法有T-MAC，X-MAC，Wise-MAC等。但是，在ISM頻段中，這些方法都是基于射頻物理 層的，由此導(dǎo)致的人體陰影和低能效的問題一直沒有得到很好解決。
[0005] 后來，國(guó)外學(xué)者嘗試采用人體作為通信信道，提出了人體耦合通信（Body-Coupled Communication,BCC)的概念，提高了通信可靠性和能量效率。其中，StevenCorroy等提出 了一種新型的以體耦合信道作為物理層的異步接入控制方法：Ada-MAC算法。經(jīng)過NS-2網(wǎng) 絡(luò)模擬器的仿真實(shí)驗(yàn)比較后發(fā)現(xiàn)，在同等的人體耦合通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)條件下，該方法比其他 MAC算法的可靠性更好，延遲更低，而且能量效率也比較高。
[0006] 但上述方法也有幾個(gè)方面的不足：首先，僅考慮到節(jié)點(diǎn)發(fā)送導(dǎo)頻階段的能量，而沒 有考慮到節(jié)點(diǎn)所有活動(dòng)情況下消耗的能量；其次，沒有考慮到不同數(shù)據(jù)流的不同速率，因?yàn)?在實(shí)際應(yīng)用中，在人體信道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型不同，傳輸數(shù)據(jù)的速率也會(huì)不同。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于上述方法的不足，本發(fā)明提出了一種基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的接入 控制方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下。
[0008] 基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法，根據(jù)信道傳輸條件的變 化，自適應(yīng)地調(diào)整輪詢周期T達(dá)到能量的最優(yōu)化，所述信道傳輸條件包括傳輸數(shù)據(jù)類型和 信道傳輸速率，具體包括以下步驟：
[0009] 步驟一：建立單位時(shí)間內(nèi)的接入活動(dòng)模型：在體耦合人體信道中，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀 態(tài)包括輪詢、休眠、發(fā)送和接收四種；輪詢狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)周期性地監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，為本節(jié)點(diǎn) 發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；休眠狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)既不發(fā)送數(shù)據(jù)也不接收數(shù)據(jù)的一種狀態(tài)， 這種狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)不會(huì)收不到信道中傳輸?shù)男畔⒒驍?shù)據(jù)，也不能發(fā)送數(shù)據(jù)給其他節(jié)點(diǎn)；發(fā)送 狀態(tài)是節(jié)點(diǎn)利用信道發(fā)送數(shù)據(jù)或信息給其他節(jié)點(diǎn)的過程；接收狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn) 發(fā)送過來的信息或數(shù)據(jù)的過程；在體耦合人體信道中，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性地輪詢信道，輪 詢是節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)喚醒的過程，是節(jié)點(diǎn)在所有狀態(tài)中轉(zhuǎn)換的開始；
[0010] 步驟二：建立單位時(shí)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗模型：在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總能耗（E) 定義為這段時(shí)間內(nèi)輪詢狀態(tài)所消耗的能量（Eptjll),發(fā)送狀態(tài)的能量（Etx)，接收狀態(tài)的能量 (En)以及休眠狀態(tài)的能量（Esl66p)的總和；
[0011] 步驟三：求出節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)能耗，即節(jié)點(diǎn)能耗最小值；引入?yún)?shù)Rdata表示數(shù)據(jù)速率， 節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)流的類型確定Rdata，為了確定單位時(shí)間內(nèi)能耗最小值情況下的最
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法，其特征在于根據(jù)信道傳輸 條件的變化，自適應(yīng)地調(diào)整輪詢周期T達(dá)到能量的最優(yōu)化，所述信道傳輸條件包括傳輸數(shù) 據(jù)類型和信道傳輸速率，具體包括W下步驟： 步驟一；建立單位時(shí)間內(nèi)的接入活動(dòng)模型；在體禪合人體信道中，節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)包 括輪詢、休眠、發(fā)送和接收四種；輪詢狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)周期性地監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)，為本節(jié)點(diǎn)發(fā)送 數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；休眠狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)既不發(fā)送數(shù)據(jù)也不接收數(shù)據(jù)的一種狀態(tài)，該種 狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)不會(huì)收不到信道中傳輸?shù)男畔⒒驍?shù)據(jù)，也不能發(fā)送數(shù)據(jù)給其他節(jié)點(diǎn)；發(fā)送狀態(tài) 是節(jié)點(diǎn)利用信道發(fā)送數(shù)據(jù)或信息給其他節(jié)點(diǎn)的過程；接收狀態(tài)是指節(jié)點(diǎn)接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送 過來的信息或數(shù)據(jù)的過程；在體禪合人體信道中，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)周期性地輪詢信道，輪詢是 節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)喚醒的過程，是節(jié)點(diǎn)在所有狀態(tài)中轉(zhuǎn)換的開始； 步驟二；建立單位時(shí)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能耗模型；在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總能耗巧）定義 為該段時(shí)間內(nèi)輪詢狀態(tài)所消耗的能量巧發(fā)送狀態(tài)的能量巧J，接收狀態(tài)的能量巧J W及休眠狀態(tài)的能量巧,1。。。）的總和； 步驟求出節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)能耗，即節(jié)點(diǎn)能耗最小值；引入?yún)?shù)Rdwa表示數(shù)據(jù)速率，節(jié)點(diǎn) 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)流的類型確定Rd。,。，為了確定單位時(shí)間內(nèi)能耗最小值情況下的最優(yōu)輪 詢周期T，使用求導(dǎo)法令^ = 0，即得出在特定數(shù)據(jù)速率下節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)輪詢周期T。 ciT
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法，其 特征在于步驟一中，一個(gè)輪詢周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)存在的可能狀態(tài)共有如下=種情形： 情形一： 1) 輪詢信道，檢查到信道空閑； 2) 所述節(jié)點(diǎn)無需發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，所述節(jié)點(diǎn)就此轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，等待下一次輪詢； 情形二： 1) 輪詢信道，檢查到信道空閑； 2) 信道空閑，所述源節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)到所述目的節(jié)點(diǎn)，所述源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送導(dǎo)頻帖 到所述目的節(jié)點(diǎn)，所述源節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到發(fā)送狀態(tài)； 3) 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)周期性地輪詢信道，檢測(cè)到所述源節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的導(dǎo)頻帖，并通過導(dǎo) 頻帖中的信息確定所述目的節(jié)點(diǎn)，此時(shí)所述目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)RTR包到所述源節(jié)點(diǎn)，通知 所述源節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)包； 4) 所述源節(jié)點(diǎn)在接收到所述目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的RTR包后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送數(shù)據(jù) 結(jié)束； 5) 數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，所述目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)ACK包到所述源節(jié)點(diǎn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送過程 結(jié)束，所述源節(jié)點(diǎn)收到所述目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ACK包后，所述源節(jié)點(diǎn)和所述目的節(jié)點(diǎn)都進(jìn)入 到休眠狀態(tài)，等待下一次輪詢； 情形=: 1) 輪詢信道，檢查到信道占用； 2) 所述節(jié)點(diǎn)接收到信道中的導(dǎo)頻帖，根據(jù)導(dǎo)頻帖的目的信息確定自身為導(dǎo)頻帖的目的 節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入到接收狀態(tài)； 3) 所述節(jié)點(diǎn)向發(fā)送導(dǎo)頻帖的所述源節(jié)點(diǎn)發(fā)送RTR包，所述源節(jié)點(diǎn)在接收到所述節(jié)點(diǎn)發(fā) 送的RTR包后開始發(fā)送數(shù)據(jù)； 4) 所述節(jié)點(diǎn)開始接收數(shù)據(jù)，直至數(shù)據(jù)接收結(jié)束，所述節(jié)點(diǎn)向所述源節(jié)點(diǎn)發(fā)送ACK數(shù)據(jù) 包，確認(rèn)數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束； 5) 所述源節(jié)點(diǎn)接收到ACK數(shù)據(jù)包，所述節(jié)點(diǎn)和所述源節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到休眠狀態(tài)，等待下一 次輪詢。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法，其 特征在于在一個(gè)輪詢周期內(nèi)，輪詢狀態(tài)總是最先發(fā)生，節(jié)點(diǎn)在休眠、發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)之 前總是要先輪詢信道，監(jiān)測(cè)信道是否空閑。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法，其 特征在于，步驟S中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間能耗與輪詢周期之間的關(guān)系，得出最優(yōu)輪詢周期的 影響參數(shù)，從而在體禪合人體網(wǎng)絡(luò)中，自適應(yīng)地調(diào)整輪詢周期T達(dá)到能量的最優(yōu)化；最優(yōu)的 輪詢周期：
式中，PpDii>Psiwp即輪詢功率大于休眠功率，由公式倘）可知，信道正常運(yùn)行時(shí)，輪詢 周期T與單次輪詢時(shí)長(zhǎng)。，數(shù)據(jù)傳輸速率Rdat山及導(dǎo)頻參數(shù)P有關(guān)系，其基本關(guān)系如 下；在單一條件變化的條件下，單次輪詢的時(shí)長(zhǎng)Lp"ii_。。。。越長(zhǎng)，輪詢周期T越長(zhǎng)；數(shù)據(jù)傳輸速 率町a(chǎn)t。越大，輪詢周期T越短；又因?yàn)閷?dǎo)頻參數(shù)P〉l，k〉l，^ = l-^，貝lJ隨著p越大，輪 p~rK P 4- k. 詢周期T越長(zhǎng)。
【專利摘要】本發(fā)明提供基于自適應(yīng)輪詢的低功耗體域網(wǎng)的分布式接入控制方法，屬于無線人體局域網(wǎng)領(lǐng)域。本發(fā)明根據(jù)信道傳輸條件的變化，自適應(yīng)地調(diào)整輪詢周期T達(dá)到能量的最優(yōu)化，通過改變輪詢周期和數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的能耗最優(yōu)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的功耗，延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命。本發(fā)明改進(jìn)了已有算法在實(shí)際應(yīng)用中的不足，從整體上考慮了輪詢周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)狀態(tài)，全面衡量節(jié)點(diǎn)的能量消耗，從實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，證明了自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)可以取得算法性能的優(yōu)化。
【IPC分類】H04W52-02, H04W24-02
【公開號(hào)】CN104602280
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510026588
【發(fā)明人】劉嬌蛟, 馬碧云, 韋崗, 李哲, 楊萃
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請(qǐng)日】2015年1月18日