[发明专利]一种体域网中保证QoS的MAC层时隙分配方法

说明书

本发明公开了一种体域网中保证QoS的MAC层时隙分配方法。本发明考虑了节点传输数据过程中的时延成本和能量成本，结合节点优先级和传输的交付概率对节点效用函数进行了创新性的设计，并且根据效用函数的定义对优化问题进行数学建模，给出一种复杂度较低且性能较好的时隙分配方案。因此本发明提出的时隙分配方案可以提高网络的综合效用。

技术领域

本发明涉及无线体域网技术领域，具体涉及一种体域网中保证QoS的MAC层时隙分配方法。

背景技术

无线体域网是指以人体为中心，由本地处理单元(手机、手环等智能终端)和分布在人体表面或是人体内的无线传感器组成的无线传感器网络。通常本地处理单元和普通传感器节点经过单跳通信直接进行数据传输，形成星形网络。传感器节点收集人体各个部位的信息，然后传输给本地处理单元进行处理和显示或者进一步传输给远端处理中心。

由于无线体域网本身的特殊性，其通信协议的研究正面临一些挑战。首先，人体对电磁波信号的阻挡和吸收会造成无线体域网的信道的深衰落，体表信道的深衰落长达400ms，这一数值远远高于传统的无线传感器网络。其次，由于人体的运动，无线体域网的网络环境和业务需求也处于动态变化之中。例如，当心脏病人在激烈运动时，与该运动比较相关的数据(比如心电图)应该拥有更低的传输时延和丢包率。此外，由于传感器节点通常佩戴在人体上，其体积大小及电池容量有着很严格的限制，所以无线体域网是一种能量极度受限的系统。最后，由于传感器节点的处理能力较弱，因此，一般来讲，复杂的计算任务应该由本地处理单元进行，而传感器节点只负责简单的采集和传输任务。

无线体域网MAC(介质访问控制)层协议的设计与优化主要可以分为两个方面：介质访问控制和资源最优调度。MAC协议主要控制节点接入信道的具体行为，如通信、睡眠时间等，使得在一个资源共享的通信链路中，多个节点能够实现无冲突通信。另外，节点进行数据传输的能量效率、时延和丢包率等，也与MAC协议有密不可分的关系。资源最优调度是指将系统的带宽、时间、能量等资源合理分配给网络中各通信节点，满足各节点的QoS(服务质量)和能量需求，以使系统获得最优性能。

无线体域网的MAC协议通常分为三类：基于时分复用、基于竞争以及混合型的MAC协议。基于时分复用的MAC协议把时间分为大小相同的时隙，不同的节点获得不同的时隙。节点在属于自身的时隙开始时唤醒并传输数据，在其他时隙进入睡眠状态。这种机制能够避免冲突，而且由于引入待机状态也减少了能耗，但是由于信道状况的动态变化以及不同节点业务需求的多样性，因此对时隙分配策略提出了很高的要求。基于竞争的MAC协议不会对资源进行统一分配，而让节点采用一定机制，通过竞争的方式获得共享信道资源。这种机制有很好的拓展性，但是，高度相关的数据同时传输会引入大量的冲突。混合型的MAC协议同时使用了基于时分复用和竞争的机制，但是往往太过复杂。

在目前，已经有一些MAC层时隙分配方案的研究。例如有方案把传感器节点与本地处理单元之间的通信信道的变化建模为一个两状态的马尔科夫过程。根据信道所处的不同状态为相应节点分配不同的时隙。虽然上述方法能够实现根据信道状态变化动态调整时隙分配，但是没有考虑节点本身的属性，如节点重要性、剩余缓存、剩余能量等，不能满足特定节点的业务需求。

有研究人员对传感器节点的优先级进行了设计，考虑了其重要性，并根据节点重要性提出了相应的时隙分配方案。上述方法对节点特定业务需求考虑不够全面，只考虑了节点重要性，没有考虑采样率、剩余缓存以及剩余能量等因素。此外，该方案没有对问题进行建模以及求解，因此缺乏必要的理论基础。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种体域网中保证QoS的MAC层时隙分配方法解决了网络整体的效用值不高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种体域网中保证QoS的MAC层时隙分配方法，包括以下步骤：

S1、通过传感器节点的关键指数因子、采样率因子、超时因子和剩余能量因子计算节点优先级；