0 引言

　　隨著傳感器技術(shù)和短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式設(shè)備逐漸興起，并廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、健身、遠(yuǎn)程醫(yī)療和家庭健康監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。可穿戴式設(shè)備尺寸小且能量受限，對能耗提出了極高的要求，需要進(jìn)行超低功耗設(shè)計(jì)[2-3]。為了解決已有短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)在功耗方面的不足，IEEE于2007年成立了TG6標(biāo)準(zhǔn)工作組，目標(biāo)是制定穿戴式設(shè)備和植入式設(shè)備專屬的低功耗、安全可靠的無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Networks，WBAN)通信標(biāo)準(zhǔn)[4]。

　　自IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布之日起，該標(biāo)準(zhǔn)就受到了廣泛關(guān)注，業(yè)界基于該標(biāo)準(zhǔn)開展了大量研究工作，目標(biāo)是降低WBAN系統(tǒng)功耗，提高傳輸?shù)目煽啃裕黾酉到y(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]從吞吐量和時(shí)延的角度對IEEE 802.15.6的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行了研究，但是沒有對WBAN系統(tǒng)的功耗指標(biāo)進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]對WBAN中的定時(shí)信道接入機(jī)制的能量效率進(jìn)行了分析，但是沒有對隨機(jī)信道接入機(jī)制進(jìn)行研究。本文對IEEE 802.15.6的CSMA/CA接入機(jī)制的能量效率進(jìn)行了分析，首先建立了平均能耗模型，并在此能耗模型框架下提出了一種增強(qiáng)型的信道接入機(jī)制。該方法通過對混合業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚傳輸，減少CSMA/CA接入中空閑信道評估(Clear Channel Assessment，CCA)的能耗，進(jìn)而降低數(shù)據(jù)的平均能耗。

1 能量效率評估

　　1.1 傳輸時(shí)延建模

　　在理想信道條件下，不考慮數(shù)據(jù)在終端節(jié)點(diǎn)中協(xié)議層之間傳遞所需的能量，CSMA/CA接入及數(shù)據(jù)傳輸消耗的能量由CCA、發(fā)送MAC幀和中心節(jié)點(diǎn)接收ACK幀所消耗的能量構(gòu)成。

　　(1) CCA的時(shí)間

　　不考慮多用戶的競爭，終端節(jié)點(diǎn)獲得一次競爭分配需要進(jìn)行CCA的總時(shí)間為：

　　TCCA_Total=CWmin[UP]·TCCA(1)

　　其中：CWmin[UP]是優(yōu)先級為UP的業(yè)務(wù)對應(yīng)的最小競爭窗長；TCCA是終端節(jié)點(diǎn)在一個(gè)CSMA時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行CCA的時(shí)間。

　　(2)MAC幀發(fā)送時(shí)間

　　終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)MAC幀的時(shí)間為：

　　其中：TP=LP/RP是物理層匯聚協(xié)議(Physical Layer Converg-ence Protocol，PLCP)前導(dǎo)碼的發(fā)送時(shí)間，LP是PLCP前導(dǎo)碼的長度，RP是PLCP前導(dǎo)碼的發(fā)送速率；TPHR=LH/RH是PLCP頭部的發(fā)送時(shí)間，LH是PLCP頭部的長度，RH是PLCP頭部的發(fā)送速率；LMHR是MAC頭部的長度；LFB是數(shù)據(jù)幀負(fù)荷的長度，滿足0≤LFB≤255；LFCS是MAC幀校驗(yàn)序列的長度；RDATA是MAC幀的發(fā)送速率。

　　(3)ACK幀時(shí)間

　　ACK幀只包含MAC頭部和幀校驗(yàn)序列，采用與數(shù)據(jù)相同的發(fā)送速率，ACK幀的發(fā)送時(shí)間為：

　　1.2 傳輸時(shí)延建模

　　(1)平均能耗下限

　　考慮full-buffer業(yè)務(wù)，終端節(jié)點(diǎn)每比特的平均能耗下限（J/bit）為：

　　其中：PCCA是終端節(jié)點(diǎn)CCA的功率，PTX是終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送MAC幀的功率，PRX是終端節(jié)點(diǎn)接收ACK幀的功率。

　　將式(1)～式(3)代入式(4)并進(jìn)行化簡得到：

　　其中A和B都是常數(shù)，表達(dá)式如下：

　　在實(shí)際WBAN中，數(shù)據(jù)傳輸具有一定時(shí)延要求，因此還需考慮業(yè)務(wù)對時(shí)延的要求。假設(shè)業(yè)務(wù)的用戶優(yōu)先級為UP，數(shù)據(jù)到達(dá)率服從泊松分布，最大時(shí)延要求為T，則在0～T時(shí)間內(nèi)到達(dá)m個(gè)MAC幀的概率為：

　　其中：?姿是泊松分布參數(shù)，m=0，1，2，…，+∞。在0～T時(shí)間內(nèi)到達(dá)的MAC幀數(shù)量期望值為Np=?姿T。

　　每次競爭接入能夠發(fā)送的MAC幀數(shù)量最多為Nmax，發(fā)送Np個(gè)MAC幀需要發(fā)起競爭接入的次數(shù)NC為：

　　其中：「x?骎表示向上取整函數(shù)。如果NC>1，發(fā)送完(NC-1)×Nmax個(gè)MAC幀后，剩余的Np%Nmax個(gè)MAC幀還需要再發(fā)起一次競爭接入才能完成發(fā)送。據(jù)此，可以計(jì)算每比特的平均能耗為：

　　根據(jù)式(1)～式(3)和式(9)～式(10)，可以得到：

　　其中：A和B的表達(dá)式分別見式(6)和式(7)，不等式成立的條件是?姿T/Nmax為整數(shù)。

　　2 匯聚傳輸

　　在WBAN中，單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上可能會(huì)同時(shí)存在多個(gè)業(yè)務(wù)，因此需研究混合業(yè)務(wù)情況下的平均能耗?？紤]兩個(gè)業(yè)務(wù)的場景，當(dāng)終端緩存了多種具有不同優(yōu)先級的數(shù)據(jù)時(shí)，可以采用不同的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

　　(1)獨(dú)立傳輸。每種業(yè)務(wù)使用自身的UP值進(jìn)行競爭接入，在獲得的競爭分配內(nèi)只發(fā)送對應(yīng)的業(yè)務(wù)。

　　(2)匯聚傳輸。使用低用戶優(yōu)先級業(yè)務(wù)的UP進(jìn)行競爭接入，在獲得的競爭分配內(nèi)發(fā)送本用戶優(yōu)先級的數(shù)據(jù)以及具有更高用戶優(yōu)先級的數(shù)據(jù)。

　　假設(shè)終端節(jié)點(diǎn)緩存中存在m(m≥1)個(gè)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)，索引為i的業(yè)務(wù)的MAC幀個(gè)數(shù)分別為Ni(i=1，2，…，m)且Ni>0(i=1，2，…，m)，對應(yīng)的用戶優(yōu)先級分別為UP1，UP2，…，UPm且滿足UP1≥UP2≥…≥UPm，在一個(gè)競爭分配內(nèi)最多能夠發(fā)送的MAC幀數(shù)量分別為Nmax_i(i=1，2，…，m)。匯聚傳輸?shù)牧鞒倘缦拢?/p>

　　(1)計(jì)算每個(gè)業(yè)務(wù)對應(yīng)的?骔Ni/Nmax_i」(i=1，2，…，m)值，若?骔Ni/Nmax_i」≠0，則該業(yè)務(wù)的每Nmax_i個(gè)MAC幀分到同一組獨(dú)立傳輸。其中，?骔x」是向下取整函數(shù)，表示不大于x的最大整數(shù)。

　　(2)計(jì)算每個(gè)業(yè)務(wù)的Ni%Nmax_i(i=1，2，…，m)值，若Ni%Nmax_i≠0，則該業(yè)務(wù)的Ni%Nmax_i個(gè)MAC幀與其他業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)匯聚傳輸。

　　(3)對于Ni%Nmax_i≠0的業(yè)務(wù)，計(jì)算出業(yè)務(wù)索引值k，使得(Ni%Nmax_i)值最大且小于Nmax_k，該(Ni%Nmax_i)個(gè)MAC幀分到同一組發(fā)送。

　　(4)對剩余的(Ni%Nmax_i)個(gè)MAC幀，重復(fù)步驟(3)，直到所有MAC幀都劃分到相應(yīng)的組。

　　(5)將每個(gè)組中所有MAC幀UP值的最大值作為整個(gè)組的UP值，并按照組UP值從大到小的順序?qū)λ薪M進(jìn)行降序排序。如果多個(gè)組對應(yīng)相同的UP值，則組中所有MAC幀的UP平均值較大的排序在前。如果多個(gè)組中的MAC具有相同的平均UP值，則對這些組進(jìn)行隨機(jī)排序。

　　(6)對于排序后的組，利用組UP值進(jìn)行競爭接入，并在獲得的競爭分配內(nèi)發(fā)送該組內(nèi)的MAC幀。

　　通過定性分析可知：獨(dú)立傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)比較簡單，匯聚傳輸機(jī)制具有更高的能量效率。

　　3 仿真結(jié)果

　　本節(jié)仿真評估了CSMA/CA接入的平均能耗以及匯聚傳輸機(jī)制的性能，相應(yīng)的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

　　單業(yè)務(wù)下的平均能耗下限如圖1所示。從圖中可以看出，在單業(yè)務(wù)的情況下，高用戶優(yōu)先級業(yè)務(wù)的每比特平均能耗低于低用戶優(yōu)先級業(yè)務(wù)的每比特平均能耗。因?yàn)橛脩魞?yōu)先級越高，CWmin[UP]值越小，在單次競爭資源內(nèi)可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多。由圖1還可以看出，相鄰的兩個(gè)用戶優(yōu)先級（UP=0&1，UP=2&3，UP=4&5）兩兩具有相同的能量效率，因?yàn)橄噜彽挠脩魞?yōu)先級對應(yīng)相同的CWmin[UP]/Nmax值。

　　圖2是不同幀負(fù)荷長度下的每比特平均能耗曲線。從圖中可以看出，隨著幀負(fù)荷長度的增加，每比特的平均能耗呈現(xiàn)下降趨勢，原因是幀負(fù)荷長度越小，數(shù)據(jù)中的有效信息越少，能量效率也就越低。當(dāng)幀負(fù)荷長度小于50 B時(shí)，隨著幀負(fù)荷長度的減小，每比特的平均能耗顯著增加，這意味著在WBAN中發(fā)送MAC幀時(shí)，為了維持較高的能量效率，要避免采用很小的幀負(fù)荷長度值。當(dāng)幀負(fù)荷長度在50～255 B之間時(shí)，每比特的平均能耗數(shù)值相差不大，原因是開銷比特長度固定，隨著幀負(fù)荷長度的增加，一個(gè)MAC幀中有效信息比特的占比增加有限。

　　獨(dú)立傳輸和匯聚傳輸?shù)男阅鼙容^如圖3所示。假設(shè)業(yè)務(wù)1和業(yè)務(wù)2的用戶優(yōu)先級都為6，并且數(shù)據(jù)到達(dá)量相同，則在任何情況下匯聚傳輸?shù)钠骄芎亩疾桓哂讵?dú)立傳輸，但是隨著數(shù)據(jù)量的增加，二者的性能逐漸接近。當(dāng)MAC幀數(shù)量小于5時(shí)，匯聚傳輸?shù)男阅茉鲆孀顬槊黠@，最高可達(dá)5.1%。在個(gè)別特定的點(diǎn)上，獨(dú)立傳輸與混合傳輸具有相同的能量效率，因?yàn)樵谶@些場景下兩種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制對MAC幀的發(fā)送處理過程相同。但是，在實(shí)際的WBAN網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)到達(dá)是隨機(jī)的，為了能夠使傳輸能耗始終維持在較低水平，應(yīng)該優(yōu)先采用匯聚傳輸機(jī)制。

4 結(jié)論

　　本文建立了理想信道條件下WBAN中CSMA/CA接入的能耗模型，分析了CSMA/CA各參數(shù)取值對系統(tǒng)能耗的影響，并針對小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)CCA能耗過高的問題提出了一種數(shù)據(jù)匯聚傳輸方法。仿真結(jié)果表明，高用戶優(yōu)先級業(yè)務(wù)的傳輸能量效率高于低用戶優(yōu)先級；系統(tǒng)能量效率對MAC幀負(fù)荷的長度十分敏感，頻繁發(fā)送短MAC幀負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致較大的能量浪費(fèi)；通過對小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚傳輸，能夠有效降低系統(tǒng)能耗。后續(xù)將基于本文的能耗模型，建立能夠降低系統(tǒng)能耗的鏈路自適應(yīng)算法,并就在實(shí)際WBAN信道環(huán)境下的信道接入改進(jìn)方法進(jìn)行研究。

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