基于唤醒机制的无线体域网MAC协议、通信方法及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910420598.2 (22)申请日 2019.05.20 (71)申请人 河南科技大学 地址 471000 河南省洛阳市涧西区西苑路 48号 (72)发明人 郑奕薇袁德颖郑国强马华红 冀保峰吴红海王宁宁曲雅婷 王欣彤李济顺薛玉君 (74)专利代理机构 洛阳公信知识产权事务所 (普通合伙) 41120 代理人 宋晨炜 (51)Int.Cl. H04W 52/02(2009.01) H04W 74/08(2009.01) H04W 4/38(2018.01) H04W 80。

2、/02(2009.01) (54)发明名称 基于唤醒机制的无线体域网MAC协议、 通信 方法及系统 (57)摘要 基于唤醒机制的无线体域网MAC协议， 所述 无线体域网中数据业务分为周期业务、 按需业务 和随机业务三类， 所述协议在协调器和节点之间 构建唤醒信道和传输信道， 唤醒信道用于传输唤 醒信号， 传输信道用于传输数据； 并且， 在周期业 务和按需业务中协调器通过唤醒信道向节点发 送唤醒信号以使节点进入唤醒状态； 在随机业务 中节点通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号， 并 且进入唤醒状态； 不同节点在传输数据出现信道 冲突时， 优先传输随机业务数据， 然后通过CSMA/ CA竞争机制传输周。

3、期业务数据和按需业务数据。 本发明提供基于唤醒机制的无线体域网MAC协 议、 通信方法及系统， 网络能耗更低， 并且可靠性 高。 权利要求书1页 说明书5页 附图6页 CN 110167115 A 2019.08.23 CN 110167115 A 1.基于唤醒机制的无线体域网MAC协议， 所述无线体域网中数据业务分为周期业务、 按 需业务和随机业务三类， 其特征在于： 所述协议在协调器和节点之间构建唤醒信道和传输 信道， 唤醒信道用于传输唤醒信号， 传输信道用于传输数据； 并且， 在周期业务和按需业务中协调器通过唤醒信道向节点发送唤醒信号以使节点进入唤 醒状态； 在随机业务中节点通过唤醒信道。

4、向协调器发送唤醒信号， 并且进入唤醒状态； 不同节点在传输数据出现信道冲突时， 优先传输随机业务数据， 然后通过CSMA/CA竞争 机制传输周期业务数据和按需业务数据。 2.如权利要求1所述的基于唤醒机制的无线体域网MAC协议的通信方法， 其特征在于： 所述随机业务的通信过程包括： S11、 节点通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号； S12、 协调器接收到唤醒信号后返回ACK帧， 然后向节点发送信标帧； S13、 若节点未收到ACK帧或者信标帧则重新发送唤醒信号， 直到收到信标帧； S14、 节点通过传输信道向协调器发送数据； S15、 协调器接收到数据后向节点返回ACK帧； S16、 若节点接。

5、收到ACK帧则通信过程结束， 若节点未收到ACK帧则再次发送数据； 所述周期业务或者所述按需业务的通信过程包括： S21、 协调器按照设定的周期通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号； S22、 节点接收到唤醒信号后向协调器返回ACK帧； S23、 若协调器未收到ACK帧则重新发送唤醒信号， 直到收到ACK帧； S24、 协调器收到ACK帧则向节点发送信标帧； S25、 节点收到信标帧后进入等待状态对数据信道进行监听； S26、 待传输信道空闲时节点通过传输信道向协调器发送数据； S27、 协调器接收到数据后向节点返回ACK帧； S28、 若节点接收到ACK帧则通信过程结束， 若节点未收到ACK帧则。

6、再次发送数据。 3.如权利要求2所述的基于唤醒机制的无线体域网MAC协议， 其特征在于： S16中， 若节 点发送了若干次数据仍未接收到ACK帧则将数据丢弃。 4.如权利要求2所述的基于唤醒机制的无线体域网MAC协议， 其特征在于： S28中， 若节 点发送了若干次数据仍未接收到ACK帧则将数据丢弃。 5.应用如权利要求1所述的基于唤醒机制的无线体域网MAC协议的系统， 其特征在于： 包括协调器和与协调器无线通信连接的若干个节点， 节点包括无线唤醒电路。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110167115 A 2 基于唤醒机制的无线体域网MAC协议、 通信方法及系统 技术领域 0001 本发。

7、明涉及无线体域网领域， 具体的说是基于唤醒机制的无线体域网MAC协议、 通 信方法及系统。 背景技术 0002 伴随着我国社会发展和人民生活水平的提高， 大家对健康问题的关注越来越高。 然而， 当今社会的人口老龄化问题日益严重， 已成为社会各界共同面临的重大挑战。 此外， 慢性病也已成为危害我国人民健康的主要公共卫生问题。 如果此类疾病能够尽早得到检 测， 多数都可治疗或预防。 0003 在此背景下， 以健康监护为主要目的的无线体域网技术应运而生。 无线体域网是 由一些放置于人体不同部位、 功能不同的传感器节点和人体周围移动设备组成的短距离通 信网络， 用于监测人体身体状况或提供各种无线应用。。

8、 在WBAN中， MAC协议决定节点的无线 信道使用方式和资源分配情况， 和WBAN的性能密切相关。 因此,研究无线体域网的MAC协议 对提高WBAN网络性能具有重大意义。 0004 现如今对无线体域网的MAC协议的研究热点集中在几个方面： 能耗， 时延， 能量效 率， 可扩展性， 网络效率， 算法复杂度。 目前普遍认为重要性依次递减， 即如何有效地降低能 耗， 减少时延成为设计无线体域网MAC协议首要考虑的因素。 0005 如图1所示为无线通信的功耗对比图， 从图中可以看出， 在无线体域网的生命周期 中， 节点能耗主要来源于射频模板的发送和接收上， 能量消耗所占的百分比最少的是节点 的睡眠期。

9、。 因此， 降低能耗可以通过降低发送和接收能耗， 避免空闲侦听， 增加睡眠时间等 方法来实现。 由于MAC协议直接控制节点的射频模块， 因此无线体域网MAC协议的设计对网 络能耗有重要的影响。 0006 到目前为止， 研究者已经提出大量MAC协议， 一方面通过减少数据流量、 降低数据 冲突、 采用低占空比机制等， 来降低网络能耗， 改善网络性能。 0007 文献 “Henna S,Sajeel M,Bashir F,et al.A fair contention access scheme for low-priority traffic in wireless body area netwo。

10、rksJ.Sensors,2017,17 (9):1931-1951.” 中提出了一种基于流量自适应优先级的超帧结构， 它能够减少CAP周期中 的争用， 并为低优先级流量提供公平的机会。 0008 文献 “Yang O,Heinzelman W.Modeling and Performance Analysis for Duty- Cycled MAC Protocols with Applications to S-MAC and X-MACJ .IEEE Transactions on Mobile Computing,2012,11(6):905-921.” 提出的S-MAC通过采用低占。

11、 空比机制， 节点会周期性进行工作和睡眠， 能够降低网络由于空闲侦听带来的能耗， 而且采 用避免串音和消息传递的方法， 减少了串音和控制开销。 此类MAC协议采用占空比机制， 即 通过让节点进入睡眠来节省节点能量。 但是具有周期性睡眠的MAC协议虽然能够节能能耗， 但是在睡眠时不能及时处理事件， 可能丢失或延误需要传输的紧急重要数据， 导致造成严 重的后果。 说明书 1/5 页 3 CN 110167115 A 3 0009 另一种有效降低能耗的机制是采用唤醒方案。 0010 文献 “Pande H ,Kharat M U .Modified WiseMAC protocol for ener。

12、gy efficient wireless sensor networks with better throughputC.International Conference on Internet of Things&Applications.IEEE,2016:364-367.” 提出的Wise- MAC在每个数据帧前传输一个大小等于采样周期的唤醒前导， 以确保当数据包的数据部分 到达时， 接收者将处于唤醒状态， 这种技术在信道空闲时提供非常低的功耗。 0011 文献 “Ullah N,Khan P,Kwak K S.A very low power MAC(VLPM)protocol fo。

13、r wireless body area networksJ.Sensors,2011,11(4):3717-3737.” 提出的VLPM是基于 现有唤醒无线电方法提出的低功率MAC协议， 将流量分为上行链路和下行链路流量， 节点配 备低功率唤醒收发器， 通过增加节点睡眠时间来降低能耗。 但是该协议适合用于具有低业 务量的条件。 对于高业务量的情况， 需要进行优化。 发明内容 0012 为了解决现有技术中的不足， 本发明提供基于唤醒机制的无线体域网MAC协议、 通 信方法及系统， 网络能耗更低， 并且可靠性高。 0013 为了实现上述目的， 本发明采用的具体方案为： 基于唤醒机制的无线体域网M。

14、AC协 议， 所述无线体域网中数据业务分为周期业务、 按需业务和随机业务三类， 所述协议在协调 器和节点之间构建唤醒信道和传输信道， 唤醒信道用于传输唤醒信号， 传输信道用于传输 数据； 并且， 在周期业务和按需业务中协调器通过唤醒信道向节点发送唤醒信号以使节点 进入唤醒状态； 在随机业务中节点通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号， 并且进入唤醒状 态； 不同节点在传输数据出现信道冲突时， 优先传输随机业务数据， 然后通过CSMA/CA竞争 机制传输周期业务数据和按需业务数据。 0014 基于唤醒机制的无线体域网MAC协议的通信方法， 所述随机业务的通信过程包括： S11、 节点通过唤醒信道向协调。

15、器发送唤醒信号； S12、 协调器接收到唤醒信号后返回ACK帧， 然后向节点发送信标帧； S13、 若节点未收到ACK帧或者信标帧则重新发送唤醒信号， 直到收到信标帧； S14、 节点通过传输信道向协调器发送数据； S15、 协调器接收到数据后向节点返回ACK帧； S16、 若节点接收到ACK帧则通信过程结束， 若节点未收到ACK帧则再次发送数据； 所述周期业务或者所述按需业务的通信过程包括： S21、 协调器按照设定的周期通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号； S22、 节点接收到唤醒信号后向协调器返回ACK帧； S23、 若协调器未收到ACK帧则重新发送唤醒信号， 直到收到ACK帧； S24、。

16、 协调器收到ACK帧则向节点发送信标帧； S25、 节点收到信标帧后进入等待状态对数据信道进行监听； S26、 待传输信道空闲时节点通过传输信道向协调器发送数据； S27、 协调器接收到数据后向节点返回ACK帧； S28、 若节点接收到ACK帧则通信过程结束， 若节点未收到ACK帧则再次发送数据。 说明书 2/5 页 4 CN 110167115 A 4 0015 作为一种优选方案， S16中， 若节点发送了若干次数据仍未接收到ACK帧则将数据 丢弃。 0016 作为一种优选方案， S28中， 若节点发送了若干次数据仍未接收到ACK帧则将数据 丢弃。 0017 基于唤醒机制的无线体域网MAC协。

17、议的系统， 包括协调器和与协调器无线通信连 接的若干个节点， 节点包括无线唤醒电路。 0018 有益效果： 本发明基于IEEE 802.15.6通信标准， 每个传感器节点增加一个额外的 超低功耗唤醒电路， 节点默认状态为睡眠状态， 可以在很大程度上降低网络能耗； 根据不同 优先级的特点， 采取不同的唤醒机制， 并在多个节点同时唤醒遇到冲突时， 采用随机退避等 待的冲突避免策略， 能够保证高优先级业务的实时性和可靠性。 附图说明 0019 图1是无线通信的功耗对比图； 图2是本发明具体实施方式中无线唤醒电路的结构示意图； 图3是本发明中节点的状态转移过程示意图； 图4是本发明MAC协议的信道分配。

18、方式示意图； 图5是本发明通信方法中随机业务的通信过程流程图； 图6是本发明通信方法中周期业务或者按需业务的通信过程流程图； 图7是本发明具体实施方式中仿真实验的网络拓扑结构示意图； 图8是本发明具体实施方式中仿真实验的能耗随数据到达时间间隔变化情况图； 图9是本发明具体实施方式中仿真实验的协议的延时性能对比图。 具体实施方式 0020 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都。

19、属于本发明保护的范围。 0021 请参阅图3至6， 基于唤醒机制的无线体域网MAC协议， 以下简称W-MAC， 无线体域网 中数据业务分为周期业务、 按需业务和随机业务三类， 协议在协调器和节点之间构建唤醒 信道和传输信道， 唤醒信道用于传输唤醒信号， 传输信道用于传输数据。 并且， 在周期业务 和按需业务中协调器通过唤醒信道向节点发送唤醒信号以使节点进入唤醒状态； 在随机业 务中节点通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号， 并且进入唤醒状态； 不同节点在传输数据 出现信道冲突时， 优先传输随机业务数据， 然后通过CSMA/CA竞争机制传输周期业务数据和 按需业务数据。 0022 具体的说， 周期业。

20、务、 按需业务和随机业务的内容和优先级如表1所示。 0023 表1业务分类情况 说明书 3/5 页 5 CN 110167115 A 5 0024 W-MAC基于IEEE 802.15.6通信标准， 每个传感器节点增加一个额外的超低功耗唤 醒电路， 节点默认状态为睡眠状态， 可以在很大程度上降低网络能耗； 根据不同优先级的特 点， 采取不同的唤醒机制， 并在多个节点同时唤醒遇到冲突时， 采用随机退避等待的冲突避 免策略， 能够保证高优先级业务的实时性和可靠性。 0025 在上述基于唤醒机制的无线体域网MAC协议的基础上， 本发明进一步提供一种通 信方法， 包括随机业务的通信过程以及周期业务或者。

21、按需业务的通信过程。 0026 随机业务的通信过程包括S11至S16。 0027 S11、 节点通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号。 0028 S12、 协调器接收到唤醒信号后返回ACK帧， 然后向节点发送信标帧。 0029 S13、 若节点未收到ACK帧或者信标帧则重新发送唤醒信号， 直到收到信标帧。 0030 S14、 节点通过传输信道向协调器发送数据。 0031 S15、 协调器接收到数据后向节点返回ACK帧。 0032 S16、 若节点接收到ACK帧则通信过程结束， 若节点未收到ACK帧则再次发送数据， 若节点发送了若干次数据仍未接收到ACK帧则将数据丢弃。 0033 周期业务或者按需业。

22、务的通信过程包括S21至S28。 0034 S21、 协调器按照设定的周期通过唤醒信道向协调器发送唤醒信号。 0035 S22、 节点接收到唤醒信号后向协调器返回ACK帧。 0036 S23、 若协调器未收到ACK帧则重新发送唤醒信号， 直到收到ACK帧。 0037 S24、 协调器收到ACK帧则向节点发送信标帧。 0038 S25、 节点收到信标帧后进入等待状态对数据信道进行监听。 0039 S26、 待传输信道空闲时节点通过传输信道向协调器发送数据。 0040 S27、 协调器接收到数据后向节点返回ACK帧。 0041 S28、 若节点接收到ACK帧则通信过程结束， 若节点未收到ACK帧则。

23、再次发送数据， 若节点发送了若干次数据仍未接收到ACK帧则将数据丢弃。 0042 再进一步的， 本发明还提供一种基于唤醒机制的无线体域网MAC协议的系统， 包括 协调器和与协调器无线通信连接的若干个节点， 节点包括无线唤醒电路， 无线唤醒电路可 以如图2所示。 0043 以下通过仿真实验对W-MAC的性能进行验证。 0044 采用Matlab作为仿真平台， 网络拓扑如图7所示， 采用星型拓扑结构， 共设置11个 传感器节点， 其中0号节点充当中心节点(协调器)， 其余10个为功能不同的一般传感器节 点， 编号为110。 0045 传感器节点使用泊松过程产生数据流， 那么数据包到达中心节点的速率。

24、为 ， 整个 网络模型的平均到达速率为(N-1) 。 一般情况下， 不同的传感器节点产生数据的速率不同， 为了简化仿真难度， 我们假设不同传感器节点产生数据速率是相同的。 在仿真中， 我们选择 说明书 4/5 页 6 CN 110167115 A 6 2.4GHz的通信信道频段， 根据MAC协议算法实现过程的实际情况， 其他仿真参数设置如表2 所示。 0046 表2仿真参数设置 0047 在仿真环境和参数相同的情况下， 将W-MAC与Wise-MAC协议和S-MAC协议进行比 较。 0048 首先验证数据到达时间间隔对网络能耗的影响， 仿真结果如图8所示。 从图中可以 看出， 随着数据到达时间。

25、间隔的增加， 三种协议的能耗都是逐渐降低的， 这是由于随着数据 到达时间间隔的增加， 数据到达率低， 数据量少， 产生的竞争碰撞减少， 能耗降低。 但是， W- MAC的能耗相比于Wise-MAC和S-MAC协议， 整体上消耗的能量较少， 这是因为Wise-MAC协议 和S-MAC协议分别周期性地使用前导码和RTS/CTS， 这就会消耗额外的能量。 而W-MAC采用唤 醒机制， 能够消除空闲侦听， 从而节省大量的能量。 0049 其次对延时性能进行比较， 随着数据到达时间间隔的增加， 协议的延时性能对比 结果如图9所示， 通过对比仿真图可以发现， 随着数据到达时间间隔的增加， Wise-MAC。

26、、 S- MAC和W-MAC的网络延时都是不断降低的， 当数据到达时间间隔为10s时网络延时最低， 但是 依然高于本文提出的MAC协议。 S-MAC协议使用基于CSMA/CA的机制， 采用典型的RTS-CTS- DATA-ACK方案， 这就引入了额外的控制开销， 从而增加了延时。 W-MAC虽然也采用CSMA/CA机 制， 但是采用唤醒机制， 只有无线唤醒延时和传输延时， 因此与其他MAC协议相比， 总的延时 是最小的。 0050 对所公开的实施例的上述说明， 使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的 一般原理。

27、可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。 因此， 本发明 将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。 说明书 5/5 页 7 CN 110167115 A 7 图1 图2 说明书附图 1/6 页 8 CN 110167115 A 8 图3 图4 说明书附图 2/6 页 9 CN 110167115 A 9 图5 说明书附图 3/6 页 10 CN 110167115 A 10 图6 说明书附图 4/6 页 11 CN 110167115 A 11 图7 图8 说明书附图 5/6 页 12 CN 110167115 A 12 图9 说明书附图 6/6 页 13 CN 110167115 A 13 。