一種基于等級的無線體域網(wǎng)qos框架

一種基于等級的無線體域網(wǎng)qos框架

1信標(biāo)使能模式近年來，無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)（wban）逐漸成為研究熱點，許多科學(xué)家和工業(yè)界的研究人員在醫(yī)療護(hù)理、體育、娛樂、軍事工業(yè)、社會和其他領(lǐng)域有高的需求。目前,在WBAN中廣泛使用的無線標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15.4,它支持非常低的功耗,特別適合低速率近距離的無線傳輸。在WBAN中,終端節(jié)點(enddevice)是人身上佩戴的傳感器,如心電圖(ECG)、腦電圖(EEG)、重力加速計等,如圖1所示。通常情況下,人體傳感器不會和外界接入點直接通信,因此引入PS(personalserver,個人服務(wù)器)作為聯(lián)接人體傳感器和外界接入點的橋梁。除了路由人體感知數(shù)據(jù)分組之外還可以有其他功能,例如,用于人體感知信息融合、降低數(shù)據(jù)冗余度,或作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork,WSN)中QoS特性不同,WBAN中對業(yè)務(wù)實時性、可靠性等服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice,QoS)要求更高,而且對于不同的WBAN應(yīng)用場景,QoS要求也需量身定做。比如在醫(yī)院的真實應(yīng)用中,在帶寬有限的情況下,不同傳感數(shù)據(jù)的QoS及傳輸優(yōu)先級將不同,根據(jù)醫(yī)院實際情況考慮以下3種情況?！げ∪酥g的優(yōu)先級,即不同病人之間提供的服務(wù)優(yōu)先級不同(例如急診危重病人的數(shù)據(jù)比慢性病人的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸,因此需要設(shè)置更高的優(yōu)先級)?！鞲衅鞴?jié)點之間的優(yōu)先級,即同一病人的不同種類傳感數(shù)據(jù)的服務(wù)優(yōu)先級不同(例如心電數(shù)據(jù)通常要優(yōu)先于體溫數(shù)據(jù))?！鞲衅鞴?jié)點內(nèi)部的優(yōu)先級,即同一節(jié)點同一類傳感數(shù)據(jù),在不同時間的優(yōu)先級可能動態(tài)變化(例如血糖數(shù)據(jù)通常指定較低的優(yōu)先級,然而當(dāng)血糖過高或過低時,需要指定高優(yōu)先級)。IEEE802.15.4中MAC層有兩種模式,信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式,目前已經(jīng)有了一些基于這兩種模式的QoS研究,例如BilelNefzi等人設(shè)計的CoSenS系統(tǒng)實現(xiàn)了簡單的可擴(kuò)展服務(wù)區(qū)分方法,在保證盡力傳輸流量的同時能夠自動適應(yīng)流量變化;CaoH等人則基于信標(biāo)使能模式下超幀結(jié)構(gòu)提出了一種單層級的QoS方案。但是這些研究沒有從多個等級對WBAN業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之間的優(yōu)先級做出更為細(xì)致的區(qū)分。本文基于IEEE802.15.4信標(biāo)使能模式和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提出一種基于等級的QoS框架,分別對競爭訪問期(contentionaccessperiod,CAP)和非競爭訪問期(contentionfreeperiod,CFP)提出了適應(yīng)不同優(yōu)先級數(shù)據(jù)的QoS算法。通過網(wǎng)絡(luò)仿真驗證了所提出框架的可行性和實用性。2節(jié)點訪問信標(biāo)IEEE802.15.4提供兩種操作模式:信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式。在非信標(biāo)模式中,使用非時隙的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行通信,這種機(jī)制比信標(biāo)模式中采用的基于時隙的CSMA/CA機(jī)制簡單,所有節(jié)點均以競爭方式接入信道。信標(biāo)模式更適合實時數(shù)據(jù)和周期性數(shù)據(jù)傳送,也適合在WBAN中實現(xiàn)QoS。本文主要研究信標(biāo)模式下的網(wǎng)絡(luò)通信。在信標(biāo)模式中,有一個非常重要的概念:超幀(superframe),它是一個周期性的時間結(jié)構(gòu),分為活躍期(active)和可選的非活躍期(inactive),每個協(xié)調(diào)器都有自己的超幀,超幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。協(xié)調(diào)器周期性發(fā)送信標(biāo)幀,節(jié)點通過信標(biāo)幀進(jìn)行同步操作。兩個相鄰信標(biāo)幀的時間間隔稱為信標(biāo)間隔(beaconinterval,BI)。節(jié)點在活躍期打開接收機(jī)接收數(shù)據(jù)或者準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù),在非活躍期休眠以節(jié)約能量。超幀活躍期的持續(xù)時間用參數(shù)SD(superframeduration)表示,它被劃分為16個相等的時隙(aNumSuperframeSlots)。整個活躍期又被分為競爭訪問期(contentionaccessperiod,CAP)和非競爭訪問期(contentionfreeperiod,CFP),節(jié)點在CAP采用基于時隙的CSMA/CA機(jī)制訪問信道,而在CFP內(nèi)則采用TDMA(timedivisionmultipleaccess)進(jìn)行通信,使用保障時隙(guaranteedtimeslot,GTS)描述時隙資源,在CFP中包括一個或多個GTS,被分配給某個設(shè)備的GTS包括一個或多個時隙用于和協(xié)調(diào)器通信。信標(biāo)間隔和超幀持續(xù)時間分別由信標(biāo)階(beaconorder,BO)和超幀階(superframeorder,SO)決定,計算方法如式(1)和式(2)所示。SO和BO必須滿足:0≤SO≤BO≤14。基于時隙的CSMA/CA機(jī)制有3個重要的參數(shù):NB(numberofbackoff)、CW(contentwindows)和BE(backoffexponent)。其中NB表示退避次數(shù),初始值為0,最大值為4。當(dāng)節(jié)點完成隨機(jī)延遲,并監(jiān)測到信道繁忙,則NB加1;若NB超過最大值,則發(fā)送失敗。CW為競爭窗,表示發(fā)送數(shù)據(jù)前需要確認(rèn)信道空閑的次數(shù),默認(rèn)值為2。當(dāng)確認(rèn)信道空閑成功一次,則CW值減1,當(dāng)CW為0并且網(wǎng)絡(luò)信道空閑時開始傳輸數(shù)據(jù)。BE表示退避指數(shù),表示檢測信道是否空閑之前需要隨機(jī)退避時間,BE的取值范圍是0~5,默認(rèn)值為3。IEEE802.15.4協(xié)議對NB、BE和CW值的設(shè)定不是強(qiáng)制性的,可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整,具有較高的靈活性。后面將對這些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以滿足QoS需求。IEEE802.15.4信標(biāo)模式中CFP使用保障時隙(guaranteedtimeslot,GTS)為接入設(shè)備提供信道訪問。設(shè)備訪問信道前必須申請GTS,GTS請求命令幀格式如圖3所示。節(jié)點(終端設(shè)備或路由器)使用GTS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,必須向其父節(jié)點(路由器或協(xié)調(diào)器)發(fā)送GTS分配請求命令幀,當(dāng)命令幀中characteristicstype域的值為1時,表示申請GTS,GTSlength域表示所申請時隙個數(shù)。父節(jié)點接收到GTS請求命令幀后發(fā)送確認(rèn)幀。父節(jié)點在分配GTS時必須同時滿足如下3個條件。·父節(jié)點當(dāng)前超幀的CFP中剩余時隙個數(shù)大于或等于節(jié)點請求的GTS長度。·父節(jié)點中已分配的GTS數(shù)小于7(每個超幀最多分配7個GTS)。·分配GTS后父節(jié)點的CAP長度大于或等于aMinCAPLength的值(IEEE802.15.4規(guī)定的CAP最小長度,其值為440個符號)。在帶寬資源允許的情況下,父節(jié)點使用先來先服務(wù)原則為節(jié)點分配GTS,并將GTS分配情況存入信標(biāo)幀的GTS域。請求GTS的節(jié)點在約定的信標(biāo)周期內(nèi)對收到的信標(biāo)幀的GTS域進(jìn)行分析,判斷是否被分配了GTS,如果父節(jié)點為自己分配了GTS,則可在指定的GTS時隙范圍內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù),否則GTS分配請求失敗。3病人間的多級。根據(jù)檢測病人期間本部分提出一種采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并基于IEEE802.15.4信標(biāo)模式的無線體域網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量框架?？蚣苷螴EEE802.15.4信標(biāo)使能通信模式、采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及樹路由?？蚣軐⒎?wù)區(qū)分為3個等級,第1個等級為病人級別的服務(wù)區(qū)分,根據(jù)病人的疾病緊急程度或者交費情況確定其優(yōu)先級,保證優(yōu)先級高的病人的通信,將其稱為病人間的優(yōu)先級。第2個等級為病人內(nèi)部傳感器間的優(yōu)先級。通常,WBAN中人體一般攜帶多個傳感器節(jié)點(例如EEG、ECG),根據(jù)實際情況,這些傳感器節(jié)點通常具有不同的優(yōu)先級,例如,心臟病病人的ECG傳感器的優(yōu)先級應(yīng)該比其他傳感器高,當(dāng)心臟病發(fā)作時,ECG數(shù)據(jù)必須優(yōu)先于其他傳感器節(jié)點被發(fā)送出去。第3個等級為傳感器節(jié)點內(nèi)部數(shù)據(jù)的優(yōu)先級,傳感器節(jié)點內(nèi)部要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀,根據(jù)其緊急程度進(jìn)行優(yōu)先級區(qū)分,保證重要的突發(fā)緊急數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送,例如心臟病病人在心臟病發(fā)作時,必須立即將這個數(shù)據(jù)信息發(fā)送到醫(yī)療中心。利用IEEE802.15.4信標(biāo)模式中的競爭訪問期和非競爭訪問期來實現(xiàn)這3個等級的優(yōu)先級。3.1基于re高效算法的gts分配算法每個病人身上都帶有一個PS,它負(fù)責(zé)接收病人攜帶的傳感器數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。PS具備樹路由功能。在醫(yī)療應(yīng)用中,有些病人的某個傳感器數(shù)據(jù)需要優(yōu)先傳輸,因此需要對數(shù)據(jù)區(qū)分優(yōu)先級。比如在緊急醫(yī)療場合,危重病人的數(shù)據(jù)需要采用更高的優(yōu)先級傳輸?？紤]使用GTScharacteristic字段中的reserved中的兩位來指定數(shù)據(jù)的優(yōu)先級,它可以指定00~03共4個優(yōu)先級。醫(yī)護(hù)人員根據(jù)病人具體情況設(shè)置節(jié)點或路由器的優(yōu)先級,節(jié)點申請GTS時,將優(yōu)先級設(shè)置到reserved字段中。當(dāng)其父節(jié)點(路由器或協(xié)調(diào)器)接收到其GTS請求之后,根據(jù)reserved請求的優(yōu)先級將其插入GTS隊列中。父節(jié)點GTS隊列中優(yōu)先級越低的排在隊列越前面。分配GTS從隊列的最后開始往前分配,如圖4所示。插入隊列之后,父節(jié)點按照GTS隊列優(yōu)先級從高到底重新分配GTS,可能導(dǎo)致低優(yōu)先級的GTS失去時隙,則失去分配時隙的GTS成為“waitingGTS”狀態(tài),等待高優(yōu)先級GTS釋放時隙資源。當(dāng)高優(yōu)先級的GTS節(jié)點釋放GTS時,則父節(jié)點重新進(jìn)行GTS分配,后面的“waitingGTS”可能重新獲得時隙資源。樹型結(jié)構(gòu)下,當(dāng)路由器下的節(jié)點優(yōu)先級改變之后,將路由器的優(yōu)先級也相應(yīng)改變,路由器的優(yōu)先級是各子節(jié)點優(yōu)先級的加權(quán)平均,計算方法如式(3)所示。其中PGTS申請流程如下:(3)路由器為終端節(jié)點分配時隙,更新自己的優(yōu)先級;(4)如果路由器優(yōu)先級發(fā)生變化,則向協(xié)調(diào)器發(fā)送新的GTS請求;(5)如果路由器已經(jīng)分配了GTS,則協(xié)調(diào)器更新其GTS信息,否則,協(xié)調(diào)器根據(jù)路由器優(yōu)先級為其分配GTS時隙;(6)路由器向終端節(jié)點發(fā)送帶有新的分配信息的信標(biāo)幀;算法1分配保障時隙(GTS)當(dāng)終端節(jié)點接收到信標(biāo)幀時,如發(fā)現(xiàn)自己的GTS起始時隙為-1,則停止發(fā)送數(shù)據(jù),直到信標(biāo)幀重新分配到GTS(其起始時隙不是-1),再傳輸數(shù)據(jù)。路由器優(yōu)先級變化之后,向協(xié)調(diào)器發(fā)送新的GTS請求,協(xié)調(diào)器根據(jù)路由器的優(yōu)先級更新其GTS隊列,然后通過信標(biāo)幀通知路由器,處理過程和路由器類似。3.2節(jié)點的退避指數(shù)最人身體上可能帶有多個傳感器節(jié)點(如EEG、ECG)。傳感器節(jié)點間的QoS實現(xiàn)有兩種方法。下面具體介紹第1種方法。退避指數(shù)表示節(jié)點在探測信道忙閑狀態(tài)時需要隨機(jī)退避等待的時間,它的值要根據(jù)電池壽命擴(kuò)展參數(shù)macBattLifeExtPeriod設(shè)置,如果這個屬性值為true,則BE=min(2,macMinBE),即2和macMinBE之間的最小值,如果這個屬性值為false,則BE=macMinBE。因為在體域網(wǎng)中節(jié)點電池的更換相對比較容易,假設(shè)macBattLifeExtPeriod屬性值為false,macMinBE的值即為BE的值。用T表示隨機(jī)退避等待的時間,用R表示0~(2可見BE值的選取直接影響隨機(jī)退避時間T,BE的范圍為0~macMaxBE,而macMaxBE的值為0~5。較小的BE值意味著設(shè)備有較大的可能優(yōu)先使用信道發(fā)送數(shù)據(jù)。由此可見,如果節(jié)點的退避指數(shù)不同,則節(jié)點在使用CSMA/CA機(jī)制訪問信道時,占用信道的概率也不相同。通過調(diào)節(jié)每個終端設(shè)備的BE值實現(xiàn)服務(wù)區(qū)分,BE越小,終端設(shè)備的優(yōu)先級越高,從而保證在競爭訪問期內(nèi)的服務(wù)質(zhì)量。3.3基于qos的統(tǒng)一控制指標(biāo)及處理在每一個傳感器節(jié)點的內(nèi)部,存在多種需要發(fā)送的數(shù)據(jù)類型,例如,周期性發(fā)送的非緊急數(shù)據(jù),突發(fā)事件的緊急數(shù)據(jù),要求確認(rèn)的數(shù)據(jù)和不要求確認(rèn)的數(shù)據(jù)以及MAC層的命令幀等。為了保證發(fā)生突發(fā)事件時緊急數(shù)據(jù)能夠立即成功發(fā)送,需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行服務(wù)區(qū)分,提供QoS保證。節(jié)點內(nèi)部在CAP內(nèi)發(fā)送的數(shù)據(jù)的分類、優(yōu)先級設(shè)置見表1。當(dāng)節(jié)點內(nèi)部生成數(shù)據(jù)流量后,內(nèi)部處理程序根據(jù)其數(shù)據(jù)類型設(shè)置優(yōu)先級,然后將數(shù)據(jù)加入CAP發(fā)送隊列中,如果隊列為空,則數(shù)據(jù)直接加入隊列即可,如果隊列不為空,則需要根據(jù)數(shù)據(jù)分組的優(yōu)先級將數(shù)據(jù)分組插入隊列中,優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)分組排在優(yōu)先級低的數(shù)據(jù)前面,以保證優(yōu)先被發(fā)送出去。具體算法如下。4基于等級的qos算法通過計算機(jī)仿真對提出的QoS框架和實現(xiàn)算法進(jìn)行性能評估。使用OPNETModeler仿真工具和開放源代碼的IEEE802.15.4/ZigBeeOPNET仿真模型,實現(xiàn)了提出的基于等級的QoS框架和算法,修改了仿真模型中的樹路由算法以滿足QoS的要求,加入了支持QoS的GTS調(diào)度算法。4.1節(jié)點be值對cap仿真結(jié)果的影響假設(shè)病人身上攜帶3個傳感器節(jié)點,這3個傳感器節(jié)點都需要和PS通信。傳感器節(jié)點node1、node2和node3的BE值分兩種情況:第1種情況,3個傳感器節(jié)點的BE值都為3;第2種情況,3個傳感器節(jié)點的BE值分別為1、2和3。3個傳感器節(jié)點在CAP內(nèi)的流量開始時間相同,流量速率設(shè)置為100bit/0.03s,仿真時間為50s。BE兩種取值的CAP隊列時延仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。當(dāng)節(jié)點的BE值相等時,3個節(jié)點要發(fā)送的數(shù)據(jù)在隊列中的時延集中為0.005~0.010s。設(shè)置不同BE值后,node1節(jié)點的隊列時延為0.003~0.004s,node2節(jié)點的隊列時延為0.006~0.008s,node3節(jié)點的隊列時延為0.008~0.012s。仿真結(jié)果表明3個節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送出去的時延隨著BE值的增大依次增加,實現(xiàn)了按照優(yōu)先級發(fā)送數(shù)據(jù)的效果。4.2gts陣列和網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載在一個路由器下設(shè)置6個子節(jié)點,BO設(shè)置為6,SO設(shè)置為2,每個子節(jié)點分組間隔為1s,分組大小為500bit,仿真時間設(shè)置為60s。首先看修改之前,如果4個節(jié)點申請的GTS優(yōu)先級相同,node1~node6都申請4個時隙,仿真結(jié)果如圖7所示。可以看到,根據(jù)先來先服務(wù)的原則,node1至node3都申請到4個時隙,因為最小CAP的限制,CFP最大可分時隙數(shù)為13個,node4申請到1個時隙,當(dāng)node5和node6開始申請時,已經(jīng)沒有時隙可用,因此一直沒有申請成功。改進(jìn)GTS分配算法之后,仿真的GTS參數(shù)設(shè)置見表2。仿真結(jié)果如圖8所示。圖9是node4開始發(fā)送數(shù)據(jù)之后,父節(jié)點GTS隊列隨著node5、node6的開始和結(jié)束發(fā)送數(shù)據(jù)(第16s~第50s)的變化。當(dāng)node4申請GTS時隙時,優(yōu)先分得4個時隙,node2和node3仍然各占有4個時隙,因為node2的優(yōu)先級最低,所以其時隙只剩下1個。GTS隊列如圖9(a)所示。當(dāng)node5在第20s申請到4個時隙之后,node2的GTS被剝奪,進(jìn)入等待狀態(tài),從圖8可以看到node2的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載在第20s時開始走平,node1只剩一個時隙。GTS隊列如圖9(b)所示。當(dāng)node6在第24s申請到4個時隙之后,node1的GTS也被剝奪,進(jìn)入等待狀態(tài),GTS隊列如圖9(c)所示,圖8中的node1的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開始走平。在第40s時,node5到達(dá)結(jié)束時間,釋放了GTS,node1重新獲得了1個時隙的GTS,GTS隊列如圖9(d)所示。圖9中node5的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開始走平,而node1則又開始傳輸數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開始向上走。在第50s時,node6到達(dá)結(jié)束時間,釋放了GTS,node1增加了3個時隙,成為4個時隙,node2重新獲得了1個時隙的GTS,GTS隊列狀態(tài)恢復(fù)到圖9(a)。圖8中node6的網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載開始走平,而node2則又開始傳輸數(shù)據(jù),網(wǎng)絡(luò)輸出負(fù)載向上走。以上結(jié)果說明實現(xiàn)了CFP中不同GTS優(yōu)先級數(shù)據(jù)的彈性傳送。路由器的優(yōu)先級是所有GTS時隙優(yōu)先級的加權(quán)平均,當(dāng)GTS隊列發(fā)生變化時,路由器的優(yōu)先級也發(fā)生了變化,路由器的優(yōu)先級如圖10所示。如果路由器優(yōu)先級發(fā)生變化,則向協(xié)調(diào)器發(fā)送GTS分配請求?？梢钥吹降?s和第8s時因為node1、node2優(yōu)先級都是1,因此沒有改變,當(dāng)?shù)?2s時node3開始申請GTS,路由器平均優(yōu)先級變?yōu)?.3,隨著node4~node6開始申請GTS,平均優(yōu)先級接近3,node5,node6在第40s、第50s退出GTS之后,平均優(yōu)先級最后稍低于2。根據(jù)式(4)計算,總的時隙數(shù)是13,則路由器優(yōu)先級為(4×3+4×2+4×2+1×1)/13≈1.9。這說明了節(jié)點的優(yōu)先級變化導(dǎo)致路由器的優(yōu)先級發(fā)生了變化。4.3未設(shè)置級時的實驗仿真由