基于ieee 802156無(wú)線體域網(wǎng)mac協(xié)議的研究.doc

基于ieee 802156無(wú)線體域網(wǎng)mac協(xié)議的研究 題（中、英文）目于基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究Research onMAC Protocolsfor WirelessBody AreaBased onIEEE802.15.6作者姓名劉雪妮指導(dǎo)教師姓名、職務(wù)欒英姿副教授學(xué)科門類工學(xué)提交論文日期二一三年三月學(xué)科、專業(yè)通信與信息系統(tǒng)號(hào)代號(hào)分類號(hào)號(hào)學(xué)號(hào)級(jí)密級(jí)10701TN929.55公開1008420217_摘要無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)是一種將節(jié)點(diǎn)分布于人體表及體內(nèi)，在人體范圍內(nèi)進(jìn)行通信的新型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要用于實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)、獲取人體生理數(shù)據(jù)，為人體的生理狀態(tài)判斷提供數(shù)據(jù)支持。 目前，WBAN在我們?nèi)粘Ｉ?、醫(yī)療、娛樂(lè)等領(lǐng)域已有很多應(yīng)用。 WBAN節(jié)點(diǎn)的能量由電池提供，能量是受限的，因此降低能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生存期成為無(wú)線體域網(wǎng)協(xié)議的研究重點(diǎn)。 IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)適用于人體周圍或人體內(nèi)(但并不僅限于人體)的短距離無(wú)線通信。 它使用現(xiàn)行的ISM以及其他經(jīng)過(guò)醫(yī)療，管理權(quán)威機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)的頻帶，支持QoS，尤其滿足WBAN的低功率，高數(shù)據(jù)傳輸速率(最高達(dá)10Mbps)的通信要求。 該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了WBAN物理層幀結(jié)構(gòu)、MAC層的幀結(jié)構(gòu)和信道接入方式。 本文首先介紹了無(wú)線體域網(wǎng)的研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，其次簡(jiǎn)述了WBAN的支撐標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6的物理層和MAC的相關(guān)規(guī)定，再次介紹了常用的幾種MAC信道訪問(wèn)協(xié)議以及針對(duì)它們存在的缺點(diǎn)所提出的改進(jìn)協(xié)議，如Z-MAC、S-MAC、DEANA等。 在理解OPNET仿真平臺(tái)的建模機(jī)制和仿真原理的基礎(chǔ)上，在該仿真平臺(tái)對(duì)Aloha、CSMA和TDMA協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真與分析。 最后提出了一種新的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的超幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)在MAC超幀中的CAP階段采用了Slotted-Aloha機(jī)制、CFP階段采用了TDMA接入方式，重點(diǎn)研究了影響Slotted-Aloha機(jī)制性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素，通過(guò)仿真確定了Slotted-Aloha機(jī)制的中時(shí)隙寬度的值。 在文章的最后部分展望了未來(lái)本課題在無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的重點(diǎn)研究方向。 隨之而來(lái)的短距離、強(qiáng)移動(dòng)性、高傳輸速率的通信組網(wǎng)模式越來(lái)越受到人們的認(rèn)同與追捧，無(wú)線體域網(wǎng)就是在這種環(huán)境下應(yīng)運(yùn)而生的。 無(wú)線體域網(wǎng)(wirelessbodyareawork,WBAN)是以人體為中心，由和人體相關(guān)的網(wǎng)元（包括個(gè)人終端，分布在人體表面甚至植入人體內(nèi)部的傳感器節(jié)點(diǎn)，以及人體附近一定范圍如3-5m內(nèi)的通信設(shè)備）等組成的通信網(wǎng)絡(luò)1。 通過(guò)WBAN，人可以和其身上攜帶的個(gè)人終端設(shè)備如移動(dòng)電話、平板電腦等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)共享等。 WBAN和其它數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)比如其他人的WBAN、無(wú)線/有線接入網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等成為整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，和網(wǎng)絡(luò)上的任何終端如PC、手機(jī)、電話機(jī)、媒體播放設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)、游戲機(jī)等進(jìn)行通信2。 WBAN將把人體變成通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，從而真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的泛在化，可穿戴的計(jì)算(wearable puting)、無(wú)所不在的計(jì)算(ubiquitous puting)也將隨著WBAN的普及應(yīng)用成為人們?nèi)粘Ｉ畹幕咎卣?。 信息網(wǎng)絡(luò)將會(huì)更加全面深入地融合人與人、人與物乃至物與物之間的現(xiàn)實(shí)物理空間與抽象信息空間，并向無(wú)所不在的泛在網(wǎng)絡(luò)(ubiquitous work)方向演進(jìn)。 在任何地點(diǎn)、任何時(shí)間、以任何方式為用戶提供普適服務(wù)成為泛在網(wǎng)的重要特征。 作為泛在網(wǎng)的一個(gè)重要分支，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，提供可移動(dòng)、上下文感知、智能化和個(gè)性化服務(wù)是BAN發(fā)展的必然趨勢(shì)。 無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)在遠(yuǎn)程診斷、醫(yī)療保健、社區(qū)醫(yī)療以及特殊人群監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域的應(yīng)用有著十分重要的意義和巨大的需求，可以幫助解決由世界老齡化人口不斷增加引起的醫(yī)療資源相對(duì)不足，貧困地區(qū)醫(yī)療條件差，看病貴、看病難等問(wèn)題，并日漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。 WBAN除了應(yīng)用于醫(yī)療保健、特殊人群監(jiān)護(hù)和健康恢復(fù)等方面外，還可廣泛地應(yīng)用于電子信息、娛樂(lè)業(yè)，體育運(yùn)動(dòng)、環(huán)境智能、軍事安全和社會(huì)公共等領(lǐng)域。 傳統(tǒng)的患者監(jiān)護(hù)由許多生理傳感器組成。 這些傳感器連接患者身體和一個(gè)安裝在附近的專用信號(hào)處理單元，周圍有許多笨拙不便的連接線。 這些連接線限制了患者的活動(dòng)范圍，也影響了患者的舒適性。 一些研究報(bào)告表明，這些連接線正是醫(yī)院疾病傳染的。 另外，這些連線的晃動(dòng)還會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。 2基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究隨著低功耗、低成本無(wú)線連接技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以實(shí)施和部署WBAN，成為上述傳統(tǒng)技術(shù)的一種補(bǔ)充。 圖1.1顯示了一種典型的WBAN。 所有傳感器將采集到的信息通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給位于患者身上或者床邊的一個(gè)外部處理器。 之后，處理器通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng)、Wi-Fi或者GSM)，將所有信息實(shí)時(shí)地發(fā)送給醫(yī)生使用的設(shè)備或者某臺(tái)指定的服務(wù)器。 WBAN使用的傳感器一般會(huì)要求指定其重要生理參數(shù)的精度，低功耗信號(hào)處理的水平，并要求具備無(wú)線連接功能。 圖1.1一種典型的人體局域網(wǎng)鑒于WBAN主要應(yīng)用場(chǎng)景是人體附近，這就決定了它具有一些不同于其他無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)1)節(jié)點(diǎn)尺寸這直接影響穿戴著者的舒適性，節(jié)點(diǎn)面積和重量越小，它對(duì)人的限制就越小。 但是，這點(diǎn)必須同其他要求一起進(jìn)行權(quán)衡，例如傳感器信噪比、抗噪性能和無(wú)線通信鏈接天線的效率等；2)功耗與流耗:電池使用時(shí)間是WBAN設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。 頻繁更換電池或者充電，對(duì)穿戴式節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)并不可取，對(duì)許多植入式節(jié)點(diǎn)而言更是不可接受的。 合適地設(shè)置傳感器的通信忙閑度，可以帶來(lái)更長(zhǎng)的工作時(shí)間；3)可靠性:由于WBAN絕大部分應(yīng)用熱點(diǎn)集中于醫(yī)療保健領(lǐng)域，而用于醫(yī)學(xué)診療及監(jiān)護(hù)的相關(guān)數(shù)據(jù)事關(guān)人的生命與健康，其重要性不言而喻，微小傳輸錯(cuò)誤即可導(dǎo)致難以估量的嚴(yán)重后果，患者的安全程度取決于傳感和無(wú)線傳輸層WBAN系統(tǒng)的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠性；4)安全性與實(shí)時(shí)性:WBAN節(jié)點(diǎn)必須有足夠的安全措施，用來(lái)保護(hù)患者個(gè)人隱私和防止黑客入侵，WBAN數(shù)據(jù)傳輸亦要求實(shí)時(shí)性，即要求采集信號(hào)具有很小的傳輸時(shí)延。 盡管某些場(chǎng)景下有關(guān)病人的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)允許一定時(shí)延，但通常不能超過(guò)一定范圍，否則后果也將非常嚴(yán)重；5)智能:本地信號(hào)處理能力的大小，決定了智能程度的高低；所需信號(hào)處理算法的靈活程度，決定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多少，以及采集信號(hào)的帶寬。 由于嵌入式微處理器的功耗不斷降低，節(jié)點(diǎn)正變得越來(lái)越智能。 第一章緒論31.2無(wú)線體域網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景無(wú)線體域網(wǎng)是基于無(wú)線傳感網(wǎng)(wireless sensorwork,WSN)，是泛在網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，由可植入人體內(nèi)的傳感器、可穿戴在身體上的傳感器以及分布在人體周圍的傳感器，個(gè)人終端設(shè)備、和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等組成的通信網(wǎng)絡(luò)，主要通過(guò)收集、傳送以及分析處理人體的身體重要的生理信號(hào)（如溫度、血糖、血壓等）、人體活動(dòng)或動(dòng)作信號(hào)以及人體所在環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)智能感知和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能4。 基于IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線體域網(wǎng)目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景定位為醫(yī)療類應(yīng)用和非醫(yī)療類應(yīng)用兩大類醫(yī)療類應(yīng)用包括持續(xù)不斷的主要通過(guò)收集、傳送以及分析處理人體的身體重要的生理信號(hào)（如溫度、血糖、血壓等）、人體活動(dòng)或動(dòng)作信號(hào)以及人體所在環(huán)境信息，并以無(wú)線方式進(jìn)行傳送到專用的監(jiān)護(hù)儀器、或者各種通信終端上，如PC、手機(jī)、PDA等，接收端對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，為醫(yī)護(hù)人員確定病情提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)智能感知和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。 運(yùn)用如此大數(shù)據(jù)量的監(jiān)測(cè)，可以有效的避免心肌梗塞病的突發(fā)，以及其他各種疾病如慢性胃腸病、癌癥、呼吸疾病和神經(jīng)失常等5。 WBAN不但可以監(jiān)控病情，還可以負(fù)責(zé)患者的日常生活監(jiān)督，一種所謂的“藥片照相機(jī)”(Pill Camera)，可以讓醫(yī)生可以通過(guò)病人身上佩帶的照相機(jī)來(lái)監(jiān)視病人服用的藥物是否正確。 一個(gè)十分有前景的應(yīng)用是WBAN用來(lái)為殘疾人士提供日常生活幫助，例如給失明者移植視網(wǎng)膜替代芯片可以“恢復(fù)”他一定程度的視力6。 非醫(yī)療類的應(yīng)用包括視頻流應(yīng)用、競(jìng)技運(yùn)動(dòng)、娛樂(lè)游戲、社會(huì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、遠(yuǎn)程控制。 以視頻流應(yīng)用為例，布署在人體上的傳感器可以獲取視頻數(shù)據(jù)，然后通過(guò)WBAN把視頻數(shù)據(jù)以流的方式傳送到具有流媒體播放能力的終端上。 潛在的應(yīng)用需求有很多，比如記者可以在身上佩帶微型攝像頭，隨時(shí)進(jìn)行采訪，采訪的視頻和音頻以流的方式傳送回電視臺(tái)或者報(bào)社7。 WBAN網(wǎng)絡(luò)還可以用于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中，可以實(shí)現(xiàn)人們之間通過(guò)握手就能交換商務(wù)名片，存儲(chǔ)對(duì)方相貌信息等。 遠(yuǎn)程控制方面用戶可以通過(guò)一個(gè)多功能的遙控設(shè)備（手機(jī)中的一個(gè)模塊）控制電視機(jī)、DVD機(jī)、PC、投影儀、HVAC(取暖、通風(fēng)、空調(diào)的縮寫)等。 當(dāng)然這種應(yīng)用在WBAN中不是主要的，主要是對(duì)于其它主要功能的補(bǔ)充8。 1.3無(wú)線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀WBAN作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，在基礎(chǔ)理論和工程技術(shù)層面給學(xué)者帶來(lái)了大量的挑戰(zhàn)性研究課題。 雖然現(xiàn)行有多種無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)可以來(lái)實(shí)施WBAN技術(shù)，例如藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、ANT或者低功耗藍(lán)牙等。 然而，這些4基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)制定之初并非為WBAN技術(shù)應(yīng)用而開發(fā)的。 表1.1列出了一些標(biāo)準(zhǔn)的初始目標(biāo)應(yīng)用有些標(biāo)準(zhǔn)的功耗過(guò)高，不能滿足穿戴式WBAN器件小于3mA的峰值功耗(耗電量)要求，而Zigbee和Bluetooth與無(wú)線局域網(wǎng)IEEE802.11a處于相同工作頻段(2.4GHz)，且藍(lán)牙系統(tǒng)能同時(shí)容納的輔節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，因而這兩種技術(shù)應(yīng)用于WBAN前景不樂(lè)觀。 另一方面，標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)和行業(yè)組織已經(jīng)實(shí)施了醫(yī)療專用計(jì)劃，旨在滿足這些WBAN要求。 眾多廠商提供的實(shí)施WBAN系統(tǒng)的專有解決方案通常都使用不同的工作頻率(取決于各個(gè)國(guó)家)，且不可通用。 并且相比現(xiàn)行公共無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，專有解決方案允許WBAN可以專為滿足一些特定需求而定制，因而擁有更好的特性，例如低功耗等910。 表1.1無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)的初始目標(biāo)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)頻段Hz傳輸速率傳輸距離初始應(yīng)用目標(biāo)802.11a5G54Mbps120m WLAN802.11b2.4G11Mbps140m WLAN802.11g2.4G54Mbps140m WLAN802.11n2.4/5G248Mbps250m WLAN802.15.1藍(lán)牙2.4G3Mbps100m聲音/音頻鏈路802.15.4Zigbee868/915M2.4G40kbps250kbps75m低數(shù)據(jù)速率工業(yè)傳感器、智能電網(wǎng)等802.15.6868/915M2.4G10Mbps35m人體局域網(wǎng)為了開發(fā)出一種適合WBAN應(yīng)用的低功耗優(yōu)化型通信標(biāo)準(zhǔn)，xx年11月IEEE802.15.6工作小組(IEEE TG6小組)正式成立，專門致力于研究開發(fā)用于健康護(hù)理服務(wù)的短距離無(wú)線技術(shù)，為WBAN定義一種新的物理層/介質(zhì)接入控制層(PHY/MAC)標(biāo)準(zhǔn)11。 相比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.15.6擁有許多優(yōu)勢(shì)它側(cè)重于短距離、低成本、低功耗和低實(shí)施復(fù)雜度，將完成WBAN的標(biāo)準(zhǔn)化。 該小組除了為研究健康醫(yī)療應(yīng)用的WBAN提供標(biāo)準(zhǔn)外，逐步把研究的目標(biāo)擴(kuò)大到非醫(yī)療應(yīng)用的WBAN，如娛樂(lè)、航空等領(lǐng)域。 在xx年3月份發(fā)布IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的正式版本，其主要內(nèi)容規(guī)定了WBAN的物理層和MAC層基本結(jié)構(gòu)，該標(biāo)準(zhǔn)還指出WBAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒓用苷J(rèn)證安全方面的實(shí)現(xiàn)方式。 在TG6工作小組于xx年6月IEEE802.15.6/D01發(fā)布后，更多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者投身于對(duì)該協(xié)議草案的研究和試圖改進(jìn)的工作中，使得在原有的基礎(chǔ)上協(xié)議草案得到不斷更新與完善，相繼發(fā)布了五份修改版(D02D06)，最終于今年3月份發(fā)行了第一章緒論5該標(biāo)準(zhǔn)的最終版本。 目前研究的熱點(diǎn)主要集中在物理層在于無(wú)線體域網(wǎng)信道模型的研究12、物理層工作頻帶的選擇以及天線和調(diào)制，編碼方式的選擇等，如日本的Marco Hernandez提出了基于UWB的開關(guān)波束成形編碼調(diào)制和BICM解碼器的簡(jiǎn)單接收機(jī)13，韓國(guó)的Joonsung Bae提出了可擴(kuò)展的Double-FSK調(diào)制的收發(fā)機(jī)來(lái)降低功耗14。 MAC層主要是設(shè)計(jì)能量有效的多址接入?yún)f(xié)議，幀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化以降低節(jié)點(diǎn)功耗盡可能長(zhǎng)的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命，中國(guó)的方根發(fā)和澳大利亞學(xué)者共同提出了將MAC超幀結(jié)構(gòu)劃分為下行與上行鏈路以降低丟包率提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量15，澳大利亞ICT中心Jian Zhang提出了帶可變CAP超幀級(jí)的跳時(shí)系統(tǒng)，抑制干擾，改善延遲和吞吐量16。 此外，還有一些研究者為以后組網(wǎng)技術(shù)做了研究，網(wǎng)絡(luò)層主要集中在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪x擇以及如何選擇簡(jiǎn)單可靠的路由等，還有其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中跨層協(xié)議的設(shè)計(jì)促使研究者也希望構(gòu)建跨層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于無(wú)線體域網(wǎng)同時(shí)解決多層問(wèn)題。 由于WBAN網(wǎng)絡(luò)自身微型化，低能耗，實(shí)時(shí)性高，安全性高等特點(diǎn)，要求作為底層支撐的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)充分考慮這些特性，對(duì)IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的研究改進(jìn)與完善還有很大的空間，以使其在未來(lái)的實(shí)用化、產(chǎn)業(yè)化中擁有最好的網(wǎng)絡(luò)性能。 1.4課題的研究目的和意義WBAN節(jié)點(diǎn)由電池提供能量，能量是受限的，如何利用有限的資源(例如無(wú)線頻帶和時(shí)間)提供WBAN網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入，即提供良好的多址性能也是體域網(wǎng)研究中面臨的重要問(wèn)題，因此降低能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生存期成為研究重點(diǎn)。 IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)適用于人體周圍或人體內(nèi)(但并不僅限于人體)的短距離無(wú)線通信。 它使用目前ISM頻帶以及其他經(jīng)過(guò)醫(yī)療，管理權(quán)威批準(zhǔn)的頻帶。 支持QoS，尤其滿足WBAN的低功率，高數(shù)據(jù)傳輸速率(最高達(dá)10Mbps)的通信要求。 該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了WBAN的物理層和MAC層。 其中物理層多種無(wú)線方式構(gòu)成，具體為利用400MHz至2.4GHz頻帶頻率的窄帶寬通信、利用脈沖式UWB的超寬帶通信和以人體為信號(hào)傳輸介質(zhì)的人體通信。 而MAC層主要提出了隨機(jī)訪問(wèn)機(jī)制、預(yù)約以及非預(yù)約的訪問(wèn)機(jī)制1718。 當(dāng)前主流WBAN技術(shù)均采用星型網(wǎng)絡(luò)，諸多WBAN傳感節(jié)點(diǎn)要與主節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信由于無(wú)線信號(hào)的空間疊加特性，一個(gè)無(wú)線信道不可能被兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)訪問(wèn)。 在無(wú)線體域網(wǎng)中，控制信道訪問(wèn)的介質(zhì)接入控制協(xié)議(Media AessControl，MAC)決定著無(wú)線信道的使用，負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)分配無(wú)線信道資源，對(duì)信道的吞吐量，利用率，延遲等網(wǎng)絡(luò)的整體性能有著重要的影響。 因此設(shè)計(jì)高效的MAC協(xié)議是WBAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層協(xié)議主要有三類第一類是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議，6基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究基本思想是當(dāng)有數(shù)據(jù)等待發(fā)送時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式搶占信道，一旦發(fā)生碰撞，則采用某種退避策略重新發(fā)送，直至數(shù)據(jù)發(fā)送成功或放棄發(fā)送；第二類是基于調(diào)度的MAC協(xié)議，基本思想是基于某種調(diào)度算法，即某個(gè)要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)占用已分配的資源(時(shí)間，頻帶等)，無(wú)數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)處在休眠狀態(tài)；第三類是混合MAC協(xié)議，由于競(jìng)爭(zhēng)類的協(xié)議簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性好但存在碰撞、串音等缺點(diǎn)，而調(diào)度類的協(xié)議無(wú)沖突、效率高但也有同步要求高、不易維護(hù)的不足，因此混合型的MAC就是將這二者結(jié)合，組合各自優(yōu)點(diǎn)，避免其缺點(diǎn)，提高性能。 本課題在充分理解各種基本接入方式以及各種改進(jìn)方案的基礎(chǔ)上，采用優(yōu)勢(shì)明顯的混合接入?yún)f(xié)議，完成對(duì)IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)MAC層的優(yōu)化，對(duì)于整個(gè)WBAN網(wǎng)絡(luò)而言，是具有重要意義的。 1.5本文的主要工作和內(nèi)容安排本文首先介紹無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景、發(fā)展現(xiàn)狀；其次簡(jiǎn)述了WBAN的支撐標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6的物理層和MAC的相關(guān)規(guī)定；再次介紹了幾種MAC接入?yún)f(xié)議及其改進(jìn)協(xié)議，并通過(guò)Op仿真平臺(tái)對(duì)其性能進(jìn)行分析；最后提出了一種新的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的超幀結(jié)構(gòu)，同時(shí)在MAC超幀中的CAP階段采用了Slotted-Aloha機(jī)制、CFP階段采用了TDMA接入方式，重點(diǎn)研究了影響Slotted-Aloha機(jī)制性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素，通過(guò)仿真確定了Slotted-Aloha機(jī)制的中時(shí)隙寬度的值。 論文的主要內(nèi)容安排如下第一章緒論，主要介紹了無(wú)線體域網(wǎng)概念、網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、應(yīng)用場(chǎng)景、研究現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線體域網(wǎng)的支撐協(xié)議選擇與發(fā)展歷程及論文工作安排。 第二章IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)單介紹了該標(biāo)準(zhǔn)的物理層頻段劃分、編碼方式和幀的封裝形式，MAC層幀結(jié)構(gòu)、幀類型和CSMA/CA、Slotted-Aloha兩種接入方式實(shí)現(xiàn)方法，以及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全制定的一些規(guī)定。 第三章簡(jiǎn)述了幾種常用的MAC層接入?yún)f(xié)議，主要闡述了各種接入方式的特點(diǎn)(優(yōu)、缺點(diǎn))，針對(duì)缺點(diǎn)研究人員所提出的改進(jìn)方案以及改進(jìn)后帶來(lái)的有益效果。 第四章介紹了Op Modeler14.5仿真平臺(tái)，介紹該平臺(tái)的架構(gòu)和仿真機(jī)制(建立三層仿真模型)，在此基礎(chǔ)上給出了Aloha、CSMA和TDMA這三種MAC協(xié)議的仿真性能和結(jié)果分析。 第五章基于IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種新的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的超幀結(jié)構(gòu)，研究了影響Slotted-Aloha機(jī)制性能的幾個(gè)關(guān)鍵因素，通過(guò)仿真確定了Slotted-Aloha機(jī)制的中時(shí)隙寬度的值。 第六章結(jié)束語(yǔ)，對(duì)本文工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)工作做了展望。 第二章IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介7第二章IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)制定的初衷是為無(wú)線體域網(wǎng)(WBAN)定義新的物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制(MAC)層，以滿足其低功耗、時(shí)延小的要求。 其中PHY層定義了窄帶(NB)、超寬帶(UWB)和人體通信(HBC)三個(gè)物理層，實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)需要選擇其中一個(gè)物理層。 同時(shí)PHY層之上的MAC層，該標(biāo)準(zhǔn)制定了詳盡的信道接入控制協(xié)議以時(shí)間為基準(zhǔn)進(jìn)行資源分配，中心點(diǎn)Hub將時(shí)間軸即信道劃分為一系列超幀，這些超幀以等長(zhǎng)的信標(biāo)周期為界。 為了提供高安全級(jí)的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)，標(biāo)準(zhǔn)定義了三個(gè)級(jí)別的安全等級(jí)1)非安全通信；2)只認(rèn)證類通信；3)認(rèn)證且加密類通信。 2.1IEEE802.15.6物理層描述選擇合適頻段是制定物理層的重要一部分，一般而言，WBAN可用頻段是由各國(guó)通信管理機(jī)構(gòu)規(guī)定的，圖2.1對(duì)不同國(guó)家WBAN可用的頻段進(jìn)行了簡(jiǎn)單匯總。 其中醫(yī)療植入通信服務(wù)MICS頻帶是授權(quán)的用來(lái)進(jìn)行植入通信而且大多數(shù)國(guó)家都是使用相同的402M-405M頻率范圍，無(wú)線醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)WMTS是授權(quán)的用作醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)19。 不論是MICS還是WMTS的帶寬都不支持高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，而全球通用的支持高數(shù)據(jù)速率的工業(yè)科研醫(yī)療ISM頻帶卻由于現(xiàn)存的大量無(wú)線設(shè)備(包括工作在ISM頻帶的IEEE802.11和IEEE802.15.4)很容易引起干擾。 因而IEEE802.15.6定義了NB，UWB和HBC三個(gè)PHY層，工作的不同的頻率范圍內(nèi)，適應(yīng)不同場(chǎng)景下的需要。 EUKoreaUSAJapanUSAWorld wideJapanKoreaUSAJapanMICSWMTS ISMUWB4024154204294404496146051395140914271429.533002400580010600圖21WBAN的可用頻段8基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究2.1.1窄帶物理層NB窄帶物理層工作在402-405MHz，420-450MHz，863-870MHz，902-928MHz，950-958MHz，2360-2400MHz和2400-2483.5MHz，主要負(fù)責(zé)激活/去激活無(wú)線收發(fā)機(jī)，在當(dāng)前信道進(jìn)行信道空閑估計(jì)(CCA)以及數(shù)據(jù)接收、發(fā)送。 窄帶物理層的物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)幀包含了物理層匯聚協(xié)議(PLCP)前導(dǎo)碼，PLCP幀頭和物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)，如圖2.2所示PLCP前導(dǎo)碼幫助接收機(jī)進(jìn)行同步定時(shí)和載波偏移恢復(fù)，在收發(fā)兩端這部分是第一個(gè)最先被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊。 PLCP幀頭攜帶著用于接收端對(duì)數(shù)據(jù)包成功譯碼的必要信息，它是在PLCP前導(dǎo)碼之后以特定的數(shù)據(jù)速率在頻帶內(nèi)傳輸。 PLCP幀頭還可以進(jìn)一步分解為一個(gè)速率字段（RATE field）、一個(gè)長(zhǎng)度字段（LENGH field）、一個(gè)突發(fā)模式字段（BORST MODEfield）、一個(gè)擾碼字段、保留位、頭部檢驗(yàn)序列（HCS）和一個(gè)BCH校驗(yàn)位。 BCH校驗(yàn)位是為了增加PLCP頭部的魯棒性。 PPDU的最后一部分PSDU包含MAC幀頭，MAC幀體和幀校驗(yàn)序列FCS，PSDU會(huì)被加擾頻以及進(jìn)行BCH編碼。 它排在PLCP幀頭之后以任一可用數(shù)據(jù)速率傳輸。 FrameControlRecipientIDSenderIDBAN IDOctets:4111HCSPHY HeaderBCHParityBits15bits4bits12bitsMACHeaderMAC FrameBodyVariable Length:0-255bytesFCSOctets:70-2552PLCP PreamblePLCPHeaderPSDU圖2.2IEEE802.15.6窄帶PPDU結(jié)構(gòu)WBAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備應(yīng)該支持至少一種IEEE802.15.6規(guī)定的接收發(fā)送的數(shù)據(jù)速率，對(duì)于PLCP和PSDU，這些數(shù)據(jù)速率依賴于調(diào)制參數(shù)。 在窄帶物理層，使用的是差分正交相移鍵控(DQPSK)、差分二進(jìn)制相移鍵控(DBPSK)和差分8進(jìn)制相移鍵控(D8PSK)調(diào)制技術(shù)，但是420-450頻段使用的是高斯最小頻移鍵控(GMSK)技術(shù)。 2.1.2超寬帶物理層UWB人們對(duì)超寬帶物理層感興趣的原因在于信號(hào)的能量級(jí)與MICS中的規(guī)定相符，第二章IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介9而且對(duì)其他設(shè)備的干擾很低。 超寬帶物理層工作在兩個(gè)頻段低頻段和高頻段，每一個(gè)頻段都劃分為一系列信道，所有信道的帶寬都是499.2MHz。 低頻帶只包含3個(gè)信道(1-3)，2號(hào)信道的中心頻率是3993.6MHz，是強(qiáng)制使用信道，一個(gè)用于低頻帶的UWB設(shè)備應(yīng)該至少支持2號(hào)信道，剩下的低頻帶信道是可選的。 高頻段包含8個(gè)信道(4-11)，其中中心頻率為7987.2MHz的7號(hào)信道是強(qiáng)制的，即一個(gè)用于高頻帶的UWB設(shè)備應(yīng)該至少支持7號(hào)信道，剩余的高頻帶信道是可選的。 一個(gè)典型的UWB設(shè)備至少支持這兩個(gè)強(qiáng)制信道中的一個(gè)。 UWB物理層收發(fā)機(jī)由于是用在MICS頻段，要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和產(chǎn)生信號(hào)功率都比較低。 SiPHY ProtocolData Unit(PPDU)Preamble SFDSoSo Si SiSiSi SiPSDUPHRData PHRSynchronizationHeader(SHR)圖2.3OFDM系統(tǒng)中子信道符號(hào)的頻譜圖2.3展示了UWB物理層的PPDU，由同步頭(SHR)、物理層頭(PHR)和服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)連在一起組成。 SHR包含前導(dǎo)序列和幀啟動(dòng)分隔符(SFD)，SHR是由長(zhǎng)度為63的Kasami序列重復(fù)得到的。 PHR攜帶關(guān)于PSDU傳輸速率、載荷長(zhǎng)度和擾碼種子的PHR相關(guān)信息,包括PSDU數(shù)據(jù)速率、MAC幀主體長(zhǎng)度、脈沖成型、突發(fā)模式、HARQ和擾碼器的S值，接收端可以利用PHR中的這些信息譯碼PSDU。 在缺省模式下，PSDU包括MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)加上BCH信道碼校驗(yàn)位。 在QoS操作模式下，PSDU包括MPDU或BCH校驗(yàn)位。 MPDU應(yīng)該定義為連續(xù)的MAC頭、MAC幀主體和幀校驗(yàn)序列(FCS)組成。 典型UWB物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率范圍是0.5Mbps到10Mbps，其中0.4882Mbps是強(qiáng)制要求使用的。 超寬帶技術(shù)包括兩個(gè)類型脈沖無(wú)線電超寬帶(IR-UWB)和寬帶調(diào)頻超寬帶(FM-UWB)。 在WBAN中，Hub可以是IR-UWB收發(fā)機(jī)，或是既有IR-UWB又有FM-UWB收發(fā)機(jī)；相應(yīng)地設(shè)備可以使用IR-UWB收發(fā)機(jī)，或者是使用FM-UWB收發(fā)機(jī)，或者是兩者兼有。 UWB物理層有兩種工作模式缺省模式和QoS模式。 缺省模式應(yīng)該在醫(yī)療10基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究和非醫(yī)療上使用，QOS模式應(yīng)該應(yīng)用在高優(yōu)先級(jí)醫(yī)療應(yīng)用中。 2.1.3人體通信物理層HBC人體通信物理層HBC工作在帶寬為4MHz、中心頻率分別在16MHz和27MHz的兩個(gè)頻段，這兩個(gè)工作頻段在美國(guó)、日本和韓國(guó)都是可用的，在歐洲是工作頻段是27MHz。 HBC是關(guān)于物理層的電場(chǎng)通信(EFC)一些規(guī)定，這些規(guī)定覆蓋了整個(gè)WBAN協(xié)議，如數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、前導(dǎo)碼/SFD等。 圖2.4描述了EFC的PPDU結(jié)構(gòu)包含了前導(dǎo)碼、SFD、物理層幀頭和PSDU四部分，PSDU包括MAC層頭、MAC幀主體、和幀檢測(cè)序列(FCS)。 Data RatePilot InfoSync DBANID ReservedPayloadLength CRCPreambleSFDPHRPSDUPHY ProtocolData Unit(PPDU)圖2.4IEEE802.15.6EFC PPDU結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼和SFD是固定的數(shù)據(jù)模式，是預(yù)先產(chǎn)生的，先于幀頭和載荷發(fā)送，為了保證數(shù)據(jù)包的同步，前導(dǎo)碼序列傳輸四次而SFD只傳輸一次。 當(dāng)接收端收到該數(shù)據(jù)包時(shí)，可以通過(guò)檢測(cè)前導(dǎo)碼序列確定數(shù)據(jù)包的起始位置，然后通過(guò)檢測(cè)SFD確定幀的起始位置。 2.2IEEE802.15.6MAC層描述在IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中，整個(gè)物理信道劃分為超幀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)超幀以長(zhǎng)度相等的信標(biāo)周期為界。 由Hub完成對(duì)信標(biāo)周期的邊界標(biāo)定，進(jìn)而可以標(biāo)出所有的分配時(shí)隙(Alooocation Slot)，Hub也可以抵消信標(biāo)周期的偏移。 一般而言，除了是非激活態(tài)的超幀或一些頻段(例如MICS)的規(guī)定禁止，信標(biāo)在每一個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)傳輸。 2.2.1MAC層幀結(jié)構(gòu)MAC幀指的是發(fā)往或物理層服務(wù)接入點(diǎn)(PHY SAP)一段有序數(shù)據(jù)段，由第二章IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介11長(zhǎng)度固定的MAC幀頭、長(zhǎng)度可變的MAC幀體和長(zhǎng)度固定的幀檢測(cè)序列FCS，其中MAC幀體的長(zhǎng)度L_FB取值范圍是0L_FBpMaxFrameBodyLength。 表2.1為MAC幀格式，表2.2為MAC幀頭格式。 表2.1MAC幀格式Octets:4111可變長(zhǎng)度2幀控制接收端ID發(fā)送端ID WBANID MAC幀體FCS MAC幀頭表2-2幀控制字段格式Octet0Octet1Bits:b0b1-b2b3-b4b5b6b7b0-b3協(xié)議版本確認(rèn)機(jī)制安全等級(jí)TK指示BAN安全/中繼確認(rèn)定時(shí)/EAP指示器/首幀準(zhǔn)時(shí)幀子類型Octet1Octet2Octet3b4-b5b6b7b0-b7b0-b2b3b4-b7幀類型更多數(shù)據(jù)尾幀/接入模式/B2序列號(hào)/Poll-Post窗口碎片號(hào)/下一個(gè)/共存非末碎片/取消/尺寸/休眠保留下面對(duì)跟本文相關(guān)的部分字節(jié)或位進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 1)位于0號(hào)字節(jié)b1-b2位的“確認(rèn)機(jī)制”字段00表示不進(jìn)行確認(rèn)(N-Ack)或者分組確認(rèn)(G-Ack)；01表示進(jìn)行段確認(rèn)(B-Ack)；11表示進(jìn)行推遲的段確認(rèn)(L-Ack)；10表示進(jìn)行立即確認(rèn)(I-Ack)。 2)位于1號(hào)字節(jié)的b7位“接入模式”該位置0表示Hub工作在帶超幀的信標(biāo)或者非信標(biāo)模式；該位置1表示Hub工作在無(wú)超幀的非信標(biāo)模式。 3)位于1號(hào)字節(jié)的b4-b5位“幀類型”00表示此幀類型為管理幀，如信標(biāo)幀、連接請(qǐng)求幀、PTK等；01表示此幀類型為數(shù)據(jù)幀，如確認(rèn)幀，喚醒幀等；11保留；10表示該幀類型為控制幀。 12基于IEEE802.15.6無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議的研究2.2.2MAC層幀類型IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)在幀類型字段(Frametype)中共定義了三種類幀管理幀幀、數(shù)據(jù)幀、控制幀，其中信標(biāo)幀(Beacon)是管理幀中最重要的，確認(rèn)幀(以I-Ack幀為例)可以作為研究控制幀的代表，本節(jié)主要以信標(biāo)幀、確認(rèn)幀和數(shù)據(jù)幀為研究對(duì)象。 1)信標(biāo)幀在每一個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)，由Hub向本地網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀。 信標(biāo)幀用于界定超幀的起始，幀載荷部分包含了超幀的持續(xù)時(shí)間、收發(fā)端地址、分配時(shí)隙長(zhǎng)度以及休眠態(tài)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)等信息，結(jié)構(gòu)如表2.5所示。 圖2.5信標(biāo)幀的載荷格式其中，發(fā)送端地址該字段設(shè)置為發(fā)送當(dāng)前信標(biāo)幀的Hub的EUI-48。 信標(biāo)周期長(zhǎng)度該字段設(shè)置為當(dāng)前信標(biāo)周期的長(zhǎng)度，以分配時(shí)隙為單位，值為256個(gè)時(shí)隙數(shù)的編碼為0。 分配時(shí)隙編號(hào)如果沒有信標(biāo)偏移，信標(biāo)周期內(nèi)的分配時(shí)隙按0,1，以此信標(biāo)周期起始傳輸信標(biāo)的時(shí)間開始，在信標(biāo)周期傳輸?shù)哪┪步Y(jié)束分配時(shí)隙長(zhǎng)度如果分配時(shí)隙的長(zhǎng)度為nSl ot Mi np Allo cati o+solution nSlotpAllocatio LRe*，該字段設(shè)置為L(zhǎng)。 RAP1起始只有當(dāng)前信標(biāo)幀的MAC幀頭中EAP指示域表明專用接入階段1(EAP1)的長(zhǎng)度非0，RAP1階段才出現(xiàn)。 該字段出現(xiàn)時(shí)，設(shè)為開始隨機(jī)接入階段1(RAP1)的分配時(shí)隙數(shù)，位置在PHY容量字段之后。 如果信標(biāo)漂移不允許，EAP1(若長(zhǎng)度非零)和RAP1(若長(zhǎng)度非零)兩個(gè)階段都出現(xiàn)在當(dāng)前的信標(biāo)周期內(nèi)，如果信標(biāo)漂移是禁止的，這兩個(gè)階段則出現(xiàn)在下一個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)。 如果EAP1階段的長(zhǎng)度非零，將緊隨信標(biāo)幀之后，其后由RAP1跟隨。 如果EAP1階段長(zhǎng)度為零，則RAP1階段在信標(biāo)幀之后。 RAP1長(zhǎng)度該字段設(shè)為RAP1的長(zhǎng)度，以分配時(shí)隙為單位，此值不能小于Minimum RAP1長(zhǎng)度字段(出現(xiàn)在傳送信標(biāo)的Hub發(fā)送的連接分配幀中)的值。 SenderAddressBeaconPeriodLengthAllocationSlotLengrhRAP1EndRAP2StartRAP2EndMACCapabilityPHYCapabilityRAP1StartBeaconShiftingSequenceChannelHoppingStateNextChannelHopInactiveDuiationOctets:Octet order:Octets:Octet order:60-5101010101030-2101020-1101010第二章IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介13RAP2起始該字段設(shè)為啟動(dòng)隨機(jī)接入階段2(RAP2)的分配時(shí)隙數(shù)。 如果專用接入階段2(EAP2)的長(zhǎng)度非零，位置是在RAP2階段之前。 EAP2階段起始時(shí)間編碼在連接分配幀中。 如果不允許信標(biāo)漂移，EAP2(若長(zhǎng)度非零)和RAP2(若長(zhǎng)度非零)兩個(gè)階段都出現(xiàn)在當(dāng)前的信標(biāo)周期內(nèi)，如果信標(biāo)漂移是禁止的，這兩個(gè)階段則都將出現(xiàn)在下一個(gè)信標(biāo)周期內(nèi)。 RAP2長(zhǎng)度該字段設(shè)為RAP2階段的長(zhǎng)度，以分配時(shí)隙為單位信標(biāo)漂移序列信標(biāo)漂移序列只有當(dāng)前在信標(biāo)偏移是允許的時(shí)候才有效。 該字段出現(xiàn)