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BANMAC：用于身体域网络中可靠通信的有机MAC协议
K. Shashi Prabhlowast;, Fernando Royolowast;dagger;, Stefano Tenninalowast;, Teresa Olivaresdagger;
lowast; Center for Real-Time Systems Research, School of Engineering, Polytechnic Institute of Porto, Portugal ksp@isep.ipp.pt, sota@isep.ipp.pt
dagger; Albacete Research Institute of Informatics, University of Castilla La Mancha, Spain froyo@dsi.uclm.es, teresa@dsi.uclm.es
摘要：我们考虑在身体区域网络（BAN）中进行可靠的通信，人体上的一组节点通过无线链路连接。为了保持比吸收率（sar）尽可能低的健康安全原因，这些网络运行在低发射功率范围，然而，这是众所周知的容易出错。据观察，禁止移动人员的节点处接收信号强度（rss）的波动具有一定的规律性，并且这些波动的幅度是显著的（5-20 db）。在本文中，我们提出了一种MAC协议Banmac，它监控和预测信道波动，并在RSS可能更高的情况下机会性地调度传输。MAC协议能够提供差异化服务，并解决在附近发生多个共同定位的BAN时的共道干扰。我们报告了与IEEE802.15.4协议栈集成的BANMAC的设计和实现细节。实验数据表明，与IEEE802.15.4MAC相比，BANMAC的丢包率（PLR）明显降低。对于可比PLR，BANMAC的功耗也明显低于IEEE 802.15.4。对于共定位网络，集中式协调机制的收敛时间约为1秒，分布式协调机制的收敛时间约为4s。
1、绪论
由于老年人比例稳步上升的趋势[1]，对医疗服务的压力在未来几年将继续增加。然而，据预测，在不久的将来，护士将严重短缺——仅在美国，到2020年，赤字预计将达到100万左右[2]。身体区域网络（BAN）将在应对这种短缺方面发挥重要作用，因为它们能够自动记录生命统计数据，这项工作大约消耗护士40%的时间。此外，这些网络还有助于更好的诊断、快速的应急反应和个性化药物治疗[3]。为了保护人体组织，最好保持低传输功率。众所周知，低功率传输会出现严重的通信错误。然而，医疗保健应用通常需要高可靠性，因为失败的代价可能是人的生命的损害或损失。在之前的一项工作中，我们报告了一个使用多个硬件平台的步行者禁令中接收信号强度指示器（RSSI）波动的经验特征[4]。在一组实验中，协调器固定在胸部，其他节点放置在小腿和上臂上。图1是代表结果的，显示了RSSI波动的小提琴图。四分位数间距（IQR）显示为细黑框，中间值显示为白点。如图所示，我们发现胸臂对的iqr链接边缘约为5db，胸腿对的iqr链接边缘约为10db。在另一组使用不同设置的实验中，我们发现rssi波动高达约20db。关于更多细节，读者可以参考上面引用的文章。
接收信号强度（RSS）的波动是佩戴网络的人运动的结果。当节点靠近视线时，信号强度较高；当身体阴影较强时，信号强度较弱。这些信道波动的使用是有利的，因为通过适当的定时传输，我们更可能获得比平均值更高的信号强度，这对通信可靠性有积极的影响。我们使用术语“合适的传输窗口”（otw）来描述一个时间间隔，该时间间隔相对于链接的平均rss产生较高的rss值。
正常的人体运动，如行走、慢跑或跑步，会导致RSS波动的近似周期性行为。在周期性持续的时间间隔内，可以预测未来OTW的发生。预测OTW的下一次出现需要处理RSSI数据的噪声和人类运动的不规则性问题。在[4]中，我们提出了一种基于RSSI的OTW预测算法，并通过对实际数据的评估，论证了该方法的可行性。我们还介绍了利用这些想法设计机会主义MAC协议的初步草图，我们将其命名为Banmac。但是，我们没有在[4]中实现Banmac。
ZigBee为无线传感器网络提供了一套全球公认的规范。ZigBee标准适用范围广泛，包括健康、健康和健身[5]。Zigbee医疗保健工作组致力于老年人的医疗保健、一般健康、体育训练等[6]。ZigBee规范中使用的MAC协议是IEEE 802.15.4 MAC，这是实现与IEEE 802.15.4协议栈集成的BANMAC的动机之一。
本文所述工作的主要贡献如下：
bull;BANMAC的系统设计和实现，这是一种用于身体区域网络的无碰撞MAC协议。在BANMAC中，数据传输被调度，而不是随机通道访问。Banmac检测节点是否位于移动肢体上。对于移动肢体上的节点，它预测了移动节点传输的rss可能更高时的otws中心，从而提高了可靠性。静止节点的传输可以在剩余的可用时间内进行调度。我们注意到Banmac在应用用户定义的调度策略方面是灵活的。
bull;支持多个位于同一地点的禁令。BANMAC同时具有集中和完全分布式的协调机制。它使用全球协调器的服务，并在网络超出协调器范围时无缝切换到完全分配模式。
bull;使用BANMAC对机会主义传播机制进行广泛评估。我们比较了Banmac与IEEE802.15.4mac和CSMA/CA的性能，并对Banmac提供差异化服务的能力进行了评估。
本文的其余部分组织如下：以秒为单位。第二，我们提出了网络模型，并对我们以前的工作进行了简要的总结，以使介绍独立。在第三节中，我们介绍了Banmac的设计和实现细节。接下来，我们将在第二节中介绍实验评估的结果。我们在第四节讨论相关工作。第五节结束论文。
2、前言和背景
在本节中，我们概述了网络模型，并简要总结了[4]中提出的OTW预测方法，该方法对本文的其他部分有帮助。
网络模型：
BAN通常安排在星形拓扑中，其中一组节点无线连接到（BAN）协调器。协调器可以连接到外部网络。一般来说，手机或PDA等功能强大的设备非常适合作为协调员。然而，假定节点的能量供应有限，处理能力有限。协调器通常比其他节点更强大。因此，最好将尽可能多的计算和通信开销推送到协调器（Banmac确实是基于拉式的）。
基于RSSI的OTW预测算法[4]
节点的OTW预测算法基本上是三个步骤的循环。在第一步中，协调器收集RSSI时间序列，如下所示。它周期性地以足够低的频率广播RSSI探测包，这些包通常散布在数据包之间。节点记录这些探测包的rssi，并将它们存储在本地，直到协调器请求这些数据为止。带有探测标识符（序列号或协调器的时间戳）的RSSI值集被发送回协调器，聚合在一个或多个数据包中。如果时间序列的大小足够小，它也可以被数据包所承载。
在第二步中，协调器处理（噪声）RSSI时间序列，以确定RSSI波动的频率和相位（由于人体运动）。算法首先将快速傅立叶变换（FFT）应用于RSSI时间序列，并识别出主频，从而实现了这一点。与预期的一样，我们的实验证实了FFT频谱中的主频与被试的阶跃频率相对应，并且噪声的频率分量往往具有更小的振幅。为了确定相位，我们首先采用以主频为中心的紧带通滤波器，然后采用极值识别算法。1图2显示了叠加在原始RSSI时间序列样本上的滤波信号。
在第三步中，该算法利用频率和相位信息预测OTW。显然，OTW应该集中在RSSI波动最大值周期（1/主频）的整数倍处。请注意，由于rssi时间序列在开始和结束时的相位是任意的，因此我们从上一个极端识别步骤中选择最后一个但只有一个峰值作为OTW预测的基础。
由于正常的人体运动是不规则的，我们间歇地重新运行算法。例如，在当前Banmac的信标启用模式实现中，802.15.4 mac的bea-cons也用作rssi探测包，我们每64个信标间隔运行一次otw预测算法。这三个步骤的重复间隔可以通过监测丢包率来自适应选择。
我们在三个不同平台（Micaz、Telosb和Shimmer2）上使用两种不同的场景收集的真实数据上评估了我们的OTW预测算法的准确性。图3显示了在实验中观察到的预测OTW中心和最近的带通滤波RSSI峰之间的绝对偏差（或“漂移”）。在20赫兹下收集的RSSI时间序列中，我们使用每12秒4.5秒持续时间的样本来预测OTW。4.5s的采样时间包括至少一对连续的RSSI峰。图中，小于0.25周期的漂移用菱形表示，小于0.5周期的漂移用三角形表示，大于0.25周期的漂移用圆形表示。Micaz样品的绝对偏差平均值为0.28 s，Telosb样品的绝对偏差平均值为0.21 s，Shimmer2样品的绝对偏差平均值为0.18 s。由于受试者行走速度的变化，圆圈和三角形有时与钻石处于同一水平。该算法在中等（asymp;20%）数据包丢失情况下具有鲁棒性。为了确保FFT样本的准确周期性，将最后报告的RSSI替换为丢失的数据会比将RSSI设置为最小值或最大值更准确[7]。
3、基于IEEE 802.15.4的Banmac
在本节中，我们介绍了与IEEE 802.15.4 MAC协议（无线传感器网络中最常用的MAC）集成的BANMAC系统设计。正如我们前面提到的，ZigBee标准涵盖了广泛的应用领域，包括健康、健康和健身[6]。ZigBee规范中使用的MAC协议也是IEEE 802.15.4。在下文中，我们首先简要概述了IEEE 802.15.4 MAC的相关特性，然后详细介绍了BANMAC的设计和实施，其中我们分别介绍了单网络和共定位网络的情况。
IEEE 802.15.4 MAC标准定义了两种操作模式，即信标启用模式和非信标启用模式[8]。在信标启用模式中，连续信标开始时间之间的持续时间称为信标间隔（bi），定义了一个TDMA“超级帧”。该标准的目标之一是低功率运行。为此，仅超级帧的一部分用于传输，在剩余的时间（称为非活动期）内，节点进入休眠模式。超帧的长度和活动周期分别由两个参数确定，分别是信标阶（bo）和超帧阶（so）（见图4）。超级帧的每个活动周期有16个时隙。这些时隙分为争用访问周期（cap），其中每个时隙内的节点使用（时隙）CSMA/CA进行传输，以及无保留期（cfp），其中，独占传输权限分配给节点。在盖槽中，可以发生多个传输。除了指定超帧结构外，信标还有助于节点同步和PAN识别。在非信标启用模式下，PAN协调器向终端设备的传输只能直接用于广播。单播只能间接完成：来自协调器的单播数据包只有在节点从协调器请求数据之后才能传递。然而，在相反的方向上，节点可以直接使用（未排序的）CSMA/CA向协调器发送数据包。
我们使用帧控制字段的保留位7–9来指定Banmac中使用的帧类型，如表I所示。图5显示了这些帧的MAC头（mhr）、有效载荷和页脚（mfr）详细信息。数据和RSSI-数据帧与标准规定的数据帧相同，但帧控制字段的三位除外。
1.单网运行
网络操作从关联阶段开始。接下来是正常运行阶段，在此阶段，（PAN）协调器收集RSSI时间序列并传播无碰撞传输的计划（图6）。网络设置跨越了关联阶段和正常运行阶段的开始，在正常运行阶段，节点的RSSI时间序列第一次被收集。在关联阶段，协调器定期广播关联信标ASSOC-BCN。这些广泛广播的周期性和持续时间由两个参数决定，abi和abd–abi是连续广播之间的间隔，abd是从上次接收assoc-req开始的超时时间。每次接收到assoc-req时，超时重置为abd。同时，节点通过扫描通道来搜索协调器。节点接收到assoc-bcn后，使用csma/ca将assoc-req包中的关联请求发送给协调器，在接收到assoc-req后，协调器向节点发送一个ack。在发送assoc-req之后，节点等待ACK的接收，直到用户定义的超时。超时后，它再次发送assoc-req。
在正常运行阶段，节点根据协调器指定的时间表访问介质。基于RSSI的OTW计算程序需要对RSSI进行定期采样。传播时间表的周期性传输也用作RSSI探针。在信标启用模式下，这些定期传输以IEEE 802.15.4标准信标BCN-STD的形式发送，在非信标启用模式下以BCN-NBEM包的形式发送。为了便于展示，我们对这两种数据包类型使用了通用名称轮询，根据模式应该消除歧义。节点的上行链路传输在两种模式下使用相同的包格式完成。在下面，我们将讨论与使用信标启用和非信标启用模式相关的问题。
信标启用模式：正如我们前面提到的，bea-con间隔受到信标或-der参数值的限制，该参数只接受整数值。对于bo=0、1、2、3、4，信标间隔分别约为15、30、60、120和240 ms[8]。幸运的是，这些值足以满足Banmac。步行者的步频约为1赫兹，跑步者的步频约为2-3赫兹。在2到3倍奈奎斯特频率下对RSSI进行采样，可以满足OTW预测算法的要求。因此，BANMAC信标间隔要求的上限从250 ms到50 ms不等。例如，在我们的评估中，受试者是步行的，在这种情况下，bo=3就足够了。我们注意到bo可以通过在高频下首先采样rssi，然后将参数调整到能够满足采样约束的最大值来进行自适应设置。使用信标启用模式的缺点是，不能以足够的灵活性动态更改信标间隔，并且信标间隔只能取很少的值。
非信标启用模式：正如我们前面提到的，在非信标启用模式中，传输是完全异步的，PAN协调器只能使用广播数据包直接与终端设备通信。协调器使用BCN-NBEM帧发送定期广播，用于RSSI探测和调度分发，并具有适当格式的有效载荷。在信标启用模式下，存储指定用于收集信标RSSI的节点的ID。由于在非信标启用模式下，此类传输被广播，数据帧的字节8和9被设置为标准广播ID，0xffff。
关联后阶段：协调器第一次开始收集rssi时间序列的过程，通过为用户可配置的时间间隔参数（我们使用5秒进行测试）发送没有有效负载的轮询。节点根据协调器指定的时间表，将RSSI数据及其序列标识符聚合为一个或多个数据包，用于每次接收到的传输到协调器。在数据包丢失的情况下，协调器只需重新安排此传输（单个R
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