（通信与信息系统专业论文）躯体传感器网络的高能效mac协议设计与实现.pdf

摘要 无线传感器网络技术的发展逐渐渗透进入多元化的生物医学应用领域。生物 和生理传感器、低功耗集成电路、计算机科学以及无线通信等技术的快速成长， 使得无线传感器网络朝着新一代的传感研究方向发展。这种无线传感器网络更加 适用于不同的应用领域，例如，道路交通拥挤程度的监测、农业植物生长状态的 监护、基础设施施工情况的检验以及人体生理健康状态的健康护理等等。 然而，由于医疗健康监护领域的特殊特性使其对无线通信中的传输延时、 服务质量和能量消耗等有着一定的要求，特别是在急诊的环境中更是如此。本 文的工作就是围绕无线传感器网络的其中一个分支方向，躯体传感器网络( b o d y s e n s o rn e t w o r k s ，b s n ) 而展开，它是一个丰富的跨学科领域，是医疗卫生保健 系统的革命性工程，它用低成本的方式通过互联网将实时更新的医疗数据和持 续、动态的健康监护紧密结合在一起。大量的智能生理传感器可集成到一个可 穿戴的无线躯体传感器网络系统中，该系统能用于患者病情的早期诊断。 本文针对穿戴式医疗监护设备的能耗问题，提出了一种专门为躯体传感器 网络设计的高能效、低复杂度改迸的介质访问控制( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议。该m a c 协议通过去除不必要的控制帧信息以及采取非对称方式将大量的 控制和处理工作移至中心主节点进行，提高传感器节点的能量效率，实现冲突 避免。同时采用不同帧丢失的数据重发机制能够重新找回已丢失的数据，保证 生理信息的完整性，更加准确的将特殊环境的数据发送至控制端。另外，自适 应调节的时间同步机制能够控制时间同步间隔时间，能大范围的改善由于时间 同步带来的数据相关性不匹配等问题，适应不同的生理应用。 此外，本文还引出自主设计的躯体传感器网络硬件开发平台，它能提供在 体生理信息监护和人体近端无线数据通信功能。躯体传感器网络高能效m a c 协 议在此平台上完全实现，并对其功耗、无线性能、丢包率、网络吞吐量和能量 消耗性能进行测试与评估，结果表明该m a c 协议具有较高的能量效率。 最后，三个基于躯体传感器网络开发平台的推广实验说明该硬件平台及 m a c 协议工作稳定可靠。躯体传感器网络开发平台将在泛在式健康监护、远程 医疗、穿戴式医疗设备以及其他新兴生物医学领域有着广泛的应用。 关键词：躯体传感器网络，高能效，m a c 协议，医疗监护 a b s t r a c t t e c h n o l o g ya d v a n t a g e so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sh a v es h o w ng r e a td e a lo f p r o m i s e si nv a r i o u sb i o m e d i c a la p p l i c a t i o n s t h er a p i dt e c h n o l o g i c a lg r o w t hi n p b y s i o l o g i c a ls e n s o r s ，l o wp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ，c o m p u t e rs c i e n c ea n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nh a se n a b l e dan e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k st o w a r d sa b u r g e o nf i e l d t h e s ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa r es u i t a b l ef o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ， e g t r a f f i cm o n i t o r i n g ，p l a n tm o n i t o r i n gi na g r i c u l t u r e ，i n f r a s t r u c t u r em o n i t o r i n ga n d h e a l t hm o n i t o r i n g i nt e r m so ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st h eh e a l t h c a r em o n i t o r i n gh a si t su n i q u e c h a r a c t e r i s t i c st h a ta f f e c ti t se f f i c i e n c yi nt r a n s m i s s i o nd e l a y , q u a l i t yo fs e r v i c ea n d p o w e rc o n s u m p t i o n si ns o m es i t u a t i o n st h i se v e ni n v o l v e sas u r g e r y o u rw o r ki s r e l a t e dt ow i r e l e s ss e n s o rt e c h n o l o g yf o rh e a l t hm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n sc a l l e d8 0 d y s e n s o rn e t w o r k s ( b s n ) b s ni sar i c hi n t e r d i s c i p l i n a r ya r e aw h i c hr e v o l u t i o n i z e st h e h e a l t hc a r es y s t e mb ya l l o w i n gi n e x p e n s i v e ，c o n t i n u o u sa n da m b u l a t o r yh e a l t h m o n i t o r i n gw i t hr e a l - t i m eu p d a t e so fm e d i c a l r e c o r d sv i ai n t e r n e t an u m b e ro f i n t e l l i g e n tp h y s i o l o g i c a ls e n s o r sc a nb ei n t e g r a t e di n t oaw e a r a b l ew i r e l e s sh o d ya r e a n e t w o r k , w h i c hc a nb eu s e df o rc o m p u t e ra s s i s t e dr e h a b i l i t a t i o na n de v e ne a r l y d e t e c t i o no fm e d i c a lc o n d i f i o n s i nt h i sp a p e rw ep r o p o s e da ne n e r g y e f f i c i e n t ，l o w - c o m p l e x i t ym e d i u ma c c e s s c o n t r o l ( m a c ) p r o t o c 0 1 t h em a cp r o t o c o lw a sd e s i g n a t e dt oh a n d l ec o l l i s i o n a v o i d a n c eb yr e d u c i n gt h en u m b e r so ft h eo v e r h e a dp a c k e t sf o rh a n d s h a k ec o n t r o l w i t h i nt h eb s n w ea l s os u g g e s t e dan o v e lm e s s a g er e c o v e r ym e c h a n i s mf o rg e t t i n g b a c kt h el o s tp h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n t h ea d a p t i v es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ew e h a v e i m p l e m e n t e de x p l o i t e dt h e f e a t u r e so fm u l t i p l ed a t a - r a t ea n da d j u s t a b l e p r e c i s i o nd e s i g nt os u p p o r td i f f e r e n t i a t e dh e a l t h c a r ea p p l i c a t i o n s w ea l s oi n t r o d u c e das p e c i a l l y - d e s i g n e db o d ys e n s o rn e t w o r k sh a r d w a r ep l a t f o r m f o r o n - b o d yp h y s i o l o g i c a l m e a s u r e m e n t sa n d b o d y - p r o x i m a l w i r e l e s sd a t a c o m m u n i c a t i o n s t h em a cp r o t o c o lt h a tw a sf u l l yi m p l e m e n t e di nt h ep l a t f o r mw e d e v e l o p e d t h ep o w e rc o n s u m p t i o n , w i r e l e s sp e r f o r m a n c e ，p a c k e tl o s sr a t e ，n e t w o r k i i t h r o u g h p u t ，e n e r g yc o s ts h o w t h a to u rm a c p r o t o c o lw a se n e r g ye f f i c i e n t f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t sf r o mt h r e em e d i c a la p p l i c a t i o n ss h o w e dt h a to u r p l a t f o r mw o r k sa si n t e n d e d w eb e l i e v et h eb s np l a t f o r mw i l lg r e a t l yf a c i l i t a t et h e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta c t i v i t i e sf o rp e r v a s i v eh e a l t h c a r e ，t e l e m e d i c i n e ，w e a r a b l e m e d i c a ld e v i c e sa n do t h e re m e r g i n gb i o m e d i c a le n g i n e e r i n gf i e l d s k e yw o r d s ：b o d ys e n s o rn e t w o r k s ( b s n ) ，e n e r g y - e f f i c i e n t ，m a cp r o t o c o l ， m e d i c a lm o n i t o r i n g i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 l i j j j r l 以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：靶日期：至掣垒 ：d 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 研究生( 签名) ： 导师( 签名卜， 强川z 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的和意义 改革开放以来，我国面向大众的卫生事业有了很大发展，服务规模不断扩 大，科技水平不断提高，医疗条件明显改善，为保障人民健康发挥了重要作用。 但国民的健康情况仍相当严峻：政府对医院投入不足，医药费用上涨过快；数 亿的人民没有纳入公平的健康覆盖，健康保障水平有限，个人负担过重。这些 都制约着全民健康水平的提高并已经成为我国构建和谐社会的巨大障碍和政府 面临的最大民生问题。如何利用合理的信息技术、健康技术，将医疗服务的重 心前移到病前、下移到社区、家庭、个人；如何在有限的财力物力基础上，为 国民提供合理和公平的信息化医疗服务，已成为国家战略发展的巨大需求【l 。3 。 为了解决上述问题，我国健康产业必然向着以社区为核心、家庭为单位、 健康为中心，集预防、医疗、保健、康复、指导为服务内容，利用传统医药文 化和现代的网络技术、通讯技术、控制技术和一些医疗设备终端，将医疗服务、 医疗延伸服务、健康教育引入家庭，最大程度地体现这些服务的及时性、实时 性、随时性、交互性、多媒体化，使居民不受时间、地域的限制，并通过降低 成本，保障全民的健康需求，使每个公民都可充分地享受健康服务，推进社会 主义和谐社会的建设。 新医改提出了“有效减轻居民就医费用负担，切实缓解看病难、看病贵 的近期目标，以及“建立健全覆盖城乡居民的基本医疗卫生制度，为群众提供 安全、有效、方便、廉价的医疗卫生服务 的长远目标h 巧j 。其中重要的一条就 是要建立实用共享的医疗卫生信息系统，穿戴式多生理参数监护技术就能很好 的应用到城乡居民的家中，实时检测处理生理信号、提取信号特征、传输数据， 从而实现人体非接入式、无创的医疗诊断监测。 躯体传感器网络为穿戴式生理参数监护技术提供了实现的可能，它对人体 生理数据实现一个动态连续的监测睁引。以维护社区居民健康为中心，对用户的 健康信息进行无线实时感知、分析、处理从而达到对亚健康状态的早期预防、 早期诊断、早期干预等目的。通过对个人生理参数的长时间连续低成本监测， 很多疾病可以在早期被检测出来，使疾病治疗前移；长期的监测也会为疾病的 武汉理工大学硕士学位论文 诊断与治疗提供可靠的依据。 躯体传感器网络无线通信的特性影响着其传输的延迟、服务质量和能量的 消耗【9 】。例如在外科手术中对传感器节点更换或是对电池充电是不太现实的，因 此b s n 必须具有较高的能量效率。而传感器网络节点的主要能量消耗在无线的 接口和m a c 层协议的操作上【l 0 1 。 其次，躯体传感器网络在诸多方面与传统的无线传感器网络存在着相对较 大的差异【l ，因此利用无线传感器网络传统的m a c 协议已解决不了躯体传感器 网络的问题。那么研究躯体传感器网络的m a c 协议具有十分重要的意义。 另外，m a c 层是连接物理层和上层协议的桥梁，是处理信道接入和提供 m a c 层实体可靠连接的关键技术【1 2 1 。论文从躯体传感器网络的m a c 协议出发， 提出一种改进的普适医疗监护领域的轻量级、高能效躯体传感器网络m a c 协 议，旨在实现网络的低功耗，延长工作时间。 1 2 国内外研究的现状及动态 躯体传感器网络是一门近年发展的新学科，国内仅两家科研学术机构在该 方向上有所研究，分别为香港中文大学生物医学工程联合研究中心和中科院深 圳先进技术研究院生物医学与健康工程研究所。后者由于2 0 0 6 年成立，对躯体 传感器网络的研究仍处于初级阶段；前者虽有几年研究经验，但该单位着重生 物医学传感方面的研究，而在躯体传感器网络的通信协议方面研究较少，这点 也与国外在此方面的科研状况相同。根据三大搜索引擎的文献查阅，发现他们 所提出的通信理论模型仍缺乏广义的实用性，得不到很好的推广。下面列出在 躯体传感器网络开发平台的研究中，国外几家优秀的科研机构在此方面做出的 成果。 伦敦帝国理工学院开发的b s n 节点，其结构紧凑、低功耗和灵活性强的设 计使其能适用于某些医疗监护领域 1 3 】。它的硬件系统由t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 和c h i p c o n 公司的c c 2 4 2 0 组成；软件方面，节点上运行u c b e r k e l e y 学校开发 的t i n y o s 开源嵌入式操作系统【1 4 j ，基于组件的架构方式使其能够快速实现各种 应用。其介质访问控制层采用i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 协议。 哈佛大学开发的c o d e b l u e 系统，能在紧急状况下提供无线医疗监护【l 孓1 6 1 。 其利用无线传感器网络技术来感测相关生理信息，并整合p d a 、p c 及其他监控 医疗设施，达到远距离医疗看护的目的，无论病患在医院内或在家中，都能达 2 武汉理工大学硕士学位论文 到医疗照顾的功效。该系统的通信协议仍基于无线传感器网络。 i e e e8 0 2 1 5 的工作组6 ( t g 6 ) 正在为低功耗设备，体表或体内手术上的 不同应用( 包括医疗、消费电子及个人娱乐等) 定义一个躯域传感器网络( b o d y a r e an e t w o r k s ，b a n ) 通信标准，其中包含物理层( p h y ) 和介质访问控制层 ( m a c ) 协议【l 7 1 。该组织已经提出了许多包含低功耗、安全性、多节点网络、 抗干扰和共存在内的上层技术需求。但该组织仍处于初步阶段，目前并没有发 布任何具体标准，并且通信频段也没有确认。 以上这些躯体传感器网络的开发平台都相对不成熟，即它们离商用产品化 还有一段距离，其可靠性和兼容性仍需进一步提高，以便适应更为广泛的应用。 1 3 论文主要内容及结构 本文针对躯体传感器网络在社区医疗中所占据的巨大市场空间，以及国内 外对该领域的通信协议研究甚少，提出了一种普遍适用于社区、家庭及个人医 疗监护领域的高能效、低复杂度的躯体传感器m a c 层协议。并在自主开发的躯 体传感器网络硬件平台上进行实现，给出性能评估与分析结果。最后通过几项 基于躯体传感器网络开发平台的实验证明该m a c 协议在实际应用中工作良好， 性能稳定，且适用于多种医疗监护领域。 本文结构组织如下： 第1 章，为本文的绪论，讲述课题研究目的和意义，国内外研究现状及动 态。 第2 章，介绍了躯体传感器网络的基本概念、结构框架以及自身特点。 第3 章，首先介绍了现有躯体传感器网络的相关m a c 协议，然后提出高能 效改进的m a c 协议，包括改进的冲突避免机制，数据恢复方法和自适应时间同 步同步机制。 第4 章，首先介绍自主开发的躯体传感器网络硬件平台，然后给出软件总 体实现流程，最后通过一系列基于硬件平台的实验对设计的m a c 协议进行性能 评估与分析，并证实协议的高能效。 第5 章，介绍了基于自主开发的躯体传感器网络开发平台开展的三项具有 代表性的医疗监护实验。 第6 章，对全文进行总结，并指出今后的进一步工作。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章躯体传感器网络概述 过去的十年时间见证了新型传感技术和医疗监护保健领域的发展，同时国 内外科研机构对穿戴式医疗设备和临床无线设备应用的兴趣也急剧上升。尽管 遥感和监护设备等相关技术在不断的发展，与之相关的系统集成、传感器微型 化、低功耗传感器接口电路设计、无线遥测链接和信号处理等关键问题仍然有 待进一步提高【1 8 】。此外，传感器网络的服务质量、安全性、多传感器数据融合、 决策支持等问题都是多年来研究的热点。为了解决无线穿戴式植入式的躯体传 感网络的相关问题，同时汇集国内外众多计算机领域、电子领域、生物工程领 域、医学和工业领域的科学家们，英国帝国理工学院的杨广中教授经多年的工 作筹备后，于2 0 0 2 年成立躯体传感器网络组织，并成功举办了2 0 0 4 年第一届 躯体传感器网络国际研讨会。 2 1 躯体传感器网络的概念 躯体传感器网络简称躯感网，是用于长期、动态、连续的对人体的生理信 息( 心率、血氧、呼吸、血压、体温等) 和运动信息( 体育运动的速度、步态、 轨迹以及体能消耗等) 进行无线无意识状态的健康监测。通过对数据的提取、 融合和分析处理，实现对人体健康状况的实时显示、早期预警、长期跟踪，达 到以预防为主、无症自诊以及日常监护的目的。对于特殊病例的突发事件( 如： 心脑血管疾病等) ，能够即时将该病人的信息状况通过互联网发送到指定医院或 是就近诊所，以便迅速采取相应的补救措施，为人民提供低成本的社区、家庭、 个人医疗服务，改善人们“看病难，看病贵”的看法1 1 9 - 2 2 j 。 生物生理传感器、低功耗集成电路以及无线通信等技术的快速成长，使得 无线传感器网络逐步朝着一个新兴的研究领域发展。这些无线传感器网络更加 适用于不同的应用领域，例如道路交通的监测，农业植物的监护，基础设施的 检测以及人体健康的监护等。然而，躯体传感器网络只是无线传感器网络技术 在人体健康监护领域的一个分支。躯体传感器网络是一个丰富的跨学科领域， 是医疗卫生保健系统的革命性工程，它用低成本的方式通过互联网将实时更新 的医疗数据和持续、动态的健康监护紧密结合在一起。大量的智能生理传感器 4 武汉理工大学硕士学位论文 可集成到一个可穿戴的无线躯体传感器网络系统中，该系统能用于计算机辅助 康复诊疗，甚至病理病情的早期预防、早期诊断、早期治疗等。 2 2 躯体传感器网络的结构 馨 图2 - 1 躯体传感器网络结构概念图 b a s es t a r l o n b s nc h i p ：p a n ：w l a n 躯体传感嚣网络的基本目标是建立一套普遍适用的医疗保障体系，监测人 体的健康状况和动态安全的将这些信息传递给中间监控基站，实时地对数据进 行分析与处理，一方面可直接显示给用户，供用户做出即时响应：另一方面可 通过无线网络( 蓝牙或w i f i ) 传输给外界网络，如p a n 、w l a n 或是中央数 据库。通常，躯体传感器网络带有多种生理信息传感器，如光电容积脉搏波描 记法( p h o t o p k m y 锄。蹦mp p g ) 传感器、心电图( e l e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 传感器，脑电图( e l e c t r o e n c e p h a l o g r a m 。e e g ) 传感器，血压( b l o o d p r e s s u r e b p ) 传感器，血氧饱和度( b l o o do x y g e ns a t u r a t i o n , s p 0 2 ) 传感器，体温( t e m p e r a t u r e ) 传感器，足底压力( t h e n 盯p r e s s u r e ，t p ) 传感器等，供穿戴式或植入式生理监护 测量。数据从分布在人体的多个传感器节点通过无线方式传输至中央监控主节 点( 中央基站) ，例如移动电话或p d a ，如图2 1 所示。 躯体传感器网络尝试将现代传感器及电子技术，计算机和网络技术无缝集 臻 图澎 武汉理工大学硕士学位论文 成后应用到家庭及个人的医疗卫生保健上彩】。它能在尽量不影响人的正常生 理活动的情况下对生命体征进行长期、连续、动态的监护。躯体传感器网络系 统具有轻便、舒适、普适( p e r v a s i v e ) 等优点，它是实现家庭健康监护的重要手 段之一，它的核心技术和难题是将设备做到微型化( m i n i a t u r i z e d ) 、集成化 ( i n t e g r a t e d ) 、网络化( n e t w o r k e d ) 、数字化( d i g i t a l i z e d ) 和智能化( s m a r t ) ， 即m i n d s 。 2 3 躯体传感器网络的特点 根据大量文献的调查研究发现，躯体传感器网络有着自身众多的特点，归 纳如下： ( 1 ) 所有传感器节点均分布在人体近端、躯体表面( 穿戴式) 、体内( 植 入式或可吞咽式) 。 ( 2 ) 由于传感器节点的以上特征，无线频率的选择必须考虑对人体电磁辐 射和穿透能力等因素，以确保对人体不产生负面影响。 ( 3 ) 躯体传感器网络通常为星型单跳的简单结构。 ( 4 ) 被监测的生理数据频率较低( 周期的心跳带动生理循环) ，网络的变 化相对较慢。 ( 5 ) 传感器通常监测的重要信息的数据率都很低( 5 0l ) 。因此在不同速率生理数据的监测上做好权衡。 ( 6 ) 节点的微型化( 相比w s n 节点应更小) 。电池的供电必须稳定持久， 特别在植入式的应用场合还需考虑无线方式充电或利用生理方式产 生的能量对传感器节点供电。 ( 7 ) 传感器节点的资源受限，比如它的处理耗电量应尽量小，节点体积导 致了存储空间也相对较小。而星型网络结构的中心主节点在处理能力 和供电方面相对限制较小，需大量处理的数据应传输到中心主节点上 进行。 ( 8 ) 信号采集、处理和网络传输方面必须有严格的安全性考虑，保证极低 的数据丢失，并且有合理的安全保障。 躯体传感器网络( b s n ) 的自身特性使其与传统的无线传感器网络( w s n ) 存在着诸多不同点，并且在很多方面有严格的限制条件，利用无限传感器网络 6 武汉理工大学硕士学位论文 技术解决躯体传感器网络的问题已经满足不了人们在普适医疗领域的需求，因 此研究专门针对躯体传感器网络的通信协议变得尤为重要【2 6 ，1 3 1 。下面列举出无 线传感器网络出与躯体传感器网络所面临的不同挑战，如表2 1 所示。 表2 1w s n 和b s n 所面临的不同挑战 挑战w s n b s n 适用范围监控范围尽可能广( 米千米)监控范围为人体近端( 米厘米) 少量高精度传感器节点 节点数量大量精度高、范围广的节点 ( 空间限制) 节点精度精度和结果正确性两者折中精度和鲁棒性要求特别高 节点尺寸小型化，但不非特别重要必须微型化 监测事件通常具有可逆性人体生理事件不可逆 生理可变性与复杂度使其应具 灵活性通常具有固定的结构 有灵活的结构 为保护病人信息，传输的安全性 数据安全对传输安全性要求较低 要求较高 电源更换较为方便植入环境下不可更换 能量获取太阳能、风能或其他动能、体热等其他生理能量 植入式节点不易更换 接入方式节点容易更换与丢弃 或生物降解 生物兼容性一般不予考虑重点因素考虑 无线技术 蓝牙、z i g b e e 、g p r s 、w l a n低功耗无线协议，待开发 2 4 躯体传感器网络的研究内容 躯体传感器网络的研究是为了提出一种长期监控和记录病人身体重要信息 与健康状况的基本技术并为用户提供整合的个人服务，可用于健康护理方面的 7 武汉理工大学硕士学位论文 医疗通信。使用躯体传感器网络，我们可以通过远程监控各类病人，提高疾病 防治、诊断、远程协助、身体状态监控和远程医疗教学等。将先进的无线通信 技术与躯体传感器网络系统配合使用，可实现远程管理慢性疾病、老年病等患 者的健康危机检测与诊疗。 实现个人健康动态监测有赖于以下技术的发展：可穿戴式生理参数监测技 术，通过各种生理参数传感器，收集心电、心音、血压、血氧、脉搏、体温等 生理信号，以及人体运动参数的提取；植入式医疗电子设备，可以在提供监测 的同时实现治疗；躯体传感器网络的开发和生理信息的安全传输，即围绕人体 近端的由多个无线传感器结点组成的网络，连接穿戴式和植入式医疗设备之间 以及它们与外网之间，实现数据交换；发展极低功耗生物医学系统芯片技术， 为穿戴式、植入式医疗电子设备和躯体传感器网络节点向微型化、集成化、网 络化、数字化和智能化发展奠定基础，量产后还可以降低成本，提高产品的大 众普及率【”- 2 9 。 躯体传感器网络组织自成立以来团队力量越来越庞大，陆续有许多国际组 织科研机构都加入到该方向的研究中，其他们主要致力于以下几个方面的研究， 新型生物电、生物化学、生物物理和机械传感器 硬件条件：低功耗r f 收发器、能量获取、电池技术、微型化、系统集成、 处理和制造成本 生物兼容性和材料 语义识别和多传感器数据融合技术 数据推理、认知发现和预测技术 服务质量、信任和安全问题 自主传感器网络 标准化轻量级网络通信协议 集成与环境感知在智能家居和家庭监护方面的应用 穿戴式和植入式传感器集成与开发平台的研究 躯体传感器网络在用户临床上的应用 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章躯体传感器网络的高能效m a c 协议设计 躯体传感器网络在人体环境下会受到不同因素、不同程度的限制，因此， 研究躯体环境下无线网络的传输特性，提高传输性能指标( 误码率、丢包率、 吞吐量等) 以及抗干扰能力，提高安全性成为人体信息采集必须考虑的要素 3 0 - 3 3 1 。本文对躯体传感器网络在躯体环境下的通信模型的建立作了较为深入的 研究，并提出一种通用的低复杂度、高能效m a c 网络协议，专为躯体传感器网 络而设计，能适用不同的躯体环境下的应用。该协议削减了传统理论模型冗余 的控制信息，并采取非对称方式将大量的控制和处理工作移至中心主节点 ( m a s t e r ) 进行，能提高整个系统的能量效率。同时采用不同帧丢失的数据重发 机制能够重新找回已丢失的数据，保证生理信息的完整性，更加准确的将特殊 环境的数据发送至控制端。另外，自适应调节的时间同步机制可以控制时间同 步间隔时间，能大范围的改善由于时间同步带来的数据相关性不匹配等问题。 该协议的理论基础是i e e e8 0 2 15 4 通用m a c 协议。 3 1 现有躯体传感器网络的m a c 协议介绍 由于国际上对躯体传感器网络通信协议的研究不多，因此各科研机构提出 的m a c 协议都并不成熟。下面列出了国外文章中提出的几种最为被人接纳的 m a c 协议模型，但他们也存在着一些问题。 3 1 1h m a c h m a c 【粥5 】( 全称h e a r t b e a tm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是一种新的时分多址 接入m a c 协议，它通过利用人的心跳节奏信息来实现各节点间的时间同步，从 而改善躯体传感器网络的能量效率问题。心跳节奏是每个人内在的可观测到的 一个生理信号量，现有的生物传感器能通过检测心跳波形的峰值来捕捉并提取 心跳节奏信息。 采用心跳的峰值在算法中作生理节奏信息来处理是因为：第一，峰值是在 生理信号波形中最为重要的特征之一，它易于被捕捉，并且受噪音和干扰的影 响较小，保证了算法的鲁棒性；第二，心跳检测的相关算法现在已经相对成熟； 9 武汉理工大学硕士学位论文 第三，心跳的速率适中，很适合于t d m a 的时槽分配。 躯体传感器网络中大多数生物信号具有相同的节奏，这些节奏都是来自于 人体内在的周期性心脏舒张与收缩。这种心跳的节奏将伴随着血液循环系统传 递到身体的各个部位，所有这些由于心跳而产生的变化都将被分布在各处的传 感器所采集到。生理参数具有相关性是躯体传感器网络的一个重要特性，而分 布在人体近端传感器的主要任务就是从病人那采集各种生理参数。大多数生理 参数是相辅相成结合紧密的，某个生理信号的波动往往会唤醒所有采集的传感 器节点。 有了这种心跳节奏信息，各传感器节点就不必要通过开启射频装置，周期 性的监听来自中心主节点的时间信息来进行时间同步。从而可完全消除由传统 的时间同步方法带来的能量消耗，延长了节点的使用寿命。该协议还带有一种 主动时间同步恢复方法，检测突发峰值间隔的变化，来调整系统的容错性，恢 复丢失的数据。 h m a c 虽然可消除时间同步带来的能量损耗，但它本身至少需要一个传感 器去检测心跳的变化量来提取心跳节奏信息，这无形中增加了系统的硬件功耗； 并且身体的某些部位很难提取心跳数据，或是传感器的接触不良，由噪声引起 的数据紊乱都会导致采集到的心跳节奏不准确，从而不能进行时间同步，导致 协议出错。因此该协议具有一定的局限性。 3 1 2b s n m a c b s n m a c 3 6 1 ( 全称b o d ys e n s o rn e t w o r k sm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 是为躯 体传感器网络而提出的一种超低功耗m a c 协议。它利用传感器节点的信息反馈 形成一个闭环来控制m a c 的参数。协议提出了一种控制算法通过中心主节点自 适应调整i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的超帧参数来实现传感器节点的高能效、低延迟。 为适应不同的生理应用，该协议根据各传感器节点所处的能量等级将躯体 传感器网络的传感器节点分成四个类别：无限制级，限制级，高限制级，极高 限制级。由于b s n 的中央基站节点，比如p d a 或移动电话，它的电池容易充电 或是被更换，其能量被认为不受限制级；穿戴式传感器节点定义为受限制级； 可吞咽式传感器节点定义为高限制级；植入式传感器节点定义为极高限制级。 协议定义不同的优先级以保证整个躯体传感器网络在节点能量受限制情况下的 超低功耗。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 该协议围绕下列公式展开， 耻舒 公式( 3 1 ) 式中e l 代表能量限制级n - o ，l ，2 ，3 ；t c 表示传感器数据的重要性，由 低到高分别为l ，2 ，3 ；e r 表示传感器节点余下的能量，当该节点能量剩余较小 时，可以将大量的处理工作移至其他节点；b r 代表传感器节点余下的缓存空间； 而p 眦表示的是传感器节点的优先程度。用此公式来判断各传感器当时的状态， 以便动态调整整个网络结构。 b s n m a c 是一种自适应m a c 协议，它是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的m a c 协议，支持点对点和星型网络拓扑结构。b s n m a c 能从网络中分布在人体各个 方位的节点处获取反馈信息，并能动态调节协议中的参数使得电量紧张的传感 器节点的能量保存下来。中心主节点通过改变超帧的结构来控制整个网络通信。 该协议虽然可通过调整传感器节点优先级参数来改变超帧的结构，从而实 现能量的高效率和网络的低延迟。但是，它本身还是i e e e 8 0 2 1 5 4 的一个改进， 而i e e e 8 0 2 1 5 4 标准本身结构复杂，可优化空间相当的大，并且实现在b s n 平 台上仍然显得非常的占能耗，因此不适合于躯体传感器网络。 3 1 3m e d m a c m e d m a c l 3 7 1 ( m e d i c a lm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 医用介质访问控制协议提出 了一种低功耗自适应信道接入的躯体传感器网络m a c 协议。该协议的特征包 括，通过t d m a 信道参数的变化来竞争空闲的接入信道；高能效动态时间调节 机制；新的适应性和低开销的t d m a 同步机制；通过动态调节服务质量需求利 用即时流量分析实现能量效率的优化；选择性的竞争周期，用于低速率数据、 紧急救护以及网络初始化等任务。 医用躯体传感器网络将专门为医疗服务提供的数据类型有两种：周期性和 非周期性。周期性的数据最适合于传统的t d m a 类型协议，例如体温监测等； 而非周期性的数据更适合于基于竞争机制的m a c 协议，例如医疗急救。 m e d m a c 的提出试图提供一种灵活的、适用范围广的、易于使用的低功耗协议 方案。m e d m a c 协议合并了多超帧的结构，如图3 1 所示。该结构的基本单元 是一个动态可编程超帧，它是由中央主控节点周期性的进行广播而来。帧的周 期包括选择性的竞争周期和由时间槽组成的非竞争周期，它们都是由一系列从2 武汉理工大学硕士学位论文 到2 5 6 的时间槽构成；每个周期的时间槽的比例会随着医疗应用的不同而改变。 1 的帧周期 7 _i 一 亨0 帧、， 一 一 一一 带m 帧的 1 多超帧 7 图3 1m e d m a c 协议的多超帧结构 该协议虽然能通过多超帧的结构以实现睡眠节点的时间同步，但它仅适用 于数据传输速率较低并且待监测的生理数据周期变化较慢的情况，对于一些突 发性疾病，如癫痫病、心脏病等都不能很好的得以应用；并且该协议仍基于 t d m a 复杂的通信协议，协议功耗较大，并不适合于躯体传感器网络在医疗领 域的广泛应用。 3 2 基于b s n 的改进冲突避免机制 基于竞争的随机访问m a c 协议采用按需使用信道的方式，它的基本思想是 当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了 冲突、碰撞，就按照某种策略重新发送数据，直到发送成功或者放弃发送唧j 。 至今为止最为典型的基于竞争的随机访问协议是载波侦听多路访问( c a r d e r s e n s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 以及随之提出的带冲突避免的载波侦听多路访问 ( c s m aw i t hc o l l i s i o na v o i d a n c e ，c s m a c a ) 。 基于竞争的m a c 协议有如下优点：由于基于竞争的m a c 协议是根据需要 分配信道，所以这种协议能较好地满足节点数量和网络负载的变化；基于竞争 的m a c 协议能较好的适应网络拓扑结构的变化；基于竞争的m a c 协议不需要 复杂的时间同步或集中控制调度算法。 本文中提出的躯体传感器网络的高能效、低复杂度m a c 协议其中的冲突避 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 免机制，就是根据无线局域网i e e e 8 0 2 1 1m a c 协议的分布式协调( d i s t r i b u t e d c o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ，d c f ) 工作模式中采用的c s m a c a 协议基础而提出的改 进机制3 9 删。 3 2 1 传统r t s c t s d a t a a c k 握手机制 在星型网络结构中，多传感器节点同时向主节点发送数据势必会导致数据 间的碰撞，因此冲突避免机$ u t l l 常的重要。传统的带冲突避免的载波侦听多路 访问( c s m a c a ) 协议利用发送方和接收方的r t s c t s d a t a a c k 通信过 程和随机退避时间机制，以实现无线信道的共享达到帧冲突的避免【1 1 1 。 分布式协调d c f 访问控制方式下，载波侦听机制通过物理载波侦听和虚拟 载波侦听来确定无线信道的状态。物理载波侦听是由物理层而提供，而虚拟载 波侦听是由m a c 层提供。如图3 2 所示，节点1 打算向节点2 发送数据，节点 1 、2 、3 都在一个无线通信范围内。节点1 首先向节点2 发送一个请求帧 ( r e q u e s t t o s e n d ，r t s ) ，节点2 向节点1 返回一个请求清除帧( c l e a r - t o s e n d ，c t s ) 进行应答。在这两个帧中都包含一个字段表示这次数据交换需要的时间长度， 称之为网络分配矢量( n e t w o r ka l l o c a t i o nv e c t o r , m w ) ，其他帧的m a c 头也会 携带这一网络分配矢量信息。当节点3 侦听到该信息后，不会再发送任何数据， 直到这次数据交换结束为止。n a v 可看作是一个计数器，以均匀的速率递减计 数到零。当计数器为零时，虚拟载波侦听知识信道为空闲状态；相反情况下， 信道指示为繁忙状态。 节点1 r t s l d a t a i i 节点2圆圆 节点3 二蔓二 图3 - 2r t s c t s d a t a a c k 握手机制 然而将r t s c t s d a t a a c k 握手机制应用在以单主节点为中心的躯体 传感器网络中显得相对复杂。相对较多的控制帧信息不可避免的加重了网络的 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 负载能力，中心主节点频繁的向星型网络的其他传感器节点进行握手并通过竞 争抢占信道，使星型网络的信道负担相对较重，且牺牲了节点之间传输数据的 速率，即较多的控制帧信息占用了传输生理数据的时间，使整体传输有效数据 的速率降低。因此c s m a c a 中的虚拟载波侦听r t s c t s d a t a a c k 握手 机制并不能在躯体传感器网络的m a c 协议领域得到很好的推广，但文章以此为 基础，并将传统的r t s c t s d a t a a c k 握手机制进行优化与改进，并提出 d r & a c k d a t a 低复杂度握手机制，可很好的适应躯体传感器网络环境的各 方面应用。 3 2 2 改进的d r & a c k d a t a 握手机制 图3 3 描述了改进的d r & a c k d a t a 低复杂度握手机制，该握手机制