專利名稱：一種實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)mac接入方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線體域網(wǎng)領域，尤其涉及醫(yī)療體域網(wǎng)。
背景技術：
醫(yī)療體域網(wǎng)是從無線體域網(wǎng)的概念中衍生出來的，顧名思義就是指無線體域網(wǎng)中有關醫(yī)療保健領域的通信網(wǎng)絡，其概念最早是在2010年7月份由IEEE 802.15 WPAN TG4j小組提出。無線體域網(wǎng)就是指以人體為中心，由與人體相關的各種網(wǎng)絡元素組成的通信網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡元素包含個人終端，分布在人體上及人體周圍一定距離范圍甚至人體內(nèi)部的傳感器、組網(wǎng)設備等，能夠滿足包括醫(yī)療保健、電子產(chǎn)品和個人休閑娛樂的需求。無線體域網(wǎng)的典型場景如圖1所示。與人們熟知的無線個域網(wǎng)相比，無線體域網(wǎng)相當于其的一個衍生和細化，著重關注的是人體周圍的通信網(wǎng)絡。醫(yī)療體域網(wǎng)MAC層的主要職責是通過調(diào)度數(shù)據(jù)和避免沖突來協(xié)調(diào)信道接入，保證系統(tǒng)在允許的時延范圍內(nèi)能夠最大化網(wǎng)絡的吞吐率，同時最小化網(wǎng)絡的能量消耗，即設計需要兼顧能耗和服務質(zhì)量兩方面的考慮。傳統(tǒng)的MAC層設計方案大都是基于競爭的，通過減少空閑偵聽、沖突或協(xié)議開銷來降低網(wǎng)絡能耗。隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目的增加，MAC層需要處理大量的數(shù)據(jù)沖突，因此網(wǎng)絡的吞吐效率和能耗性能將會顯著降低，從而影響系統(tǒng)的整體性能。分布式隊列隨機接入?yún)f(xié)議則摒棄了傳統(tǒng)的退避和競爭機制，通過引入微時隙來避免數(shù)據(jù)沖突，從而更好的調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸，在保證穩(wěn)定的前提下，使用三個微時隙就可以獲得接近理想吞吐率的性能。而與此同時，由于醫(yī)療體域網(wǎng)場景內(nèi)的節(jié)點具有不同的重要程度，因此需要根據(jù)傳感器節(jié)點的類型和相應的參數(shù)變化反饋信息，對網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸進行動態(tài)調(diào)度和控制，快速自適應地選擇不同的傳輸方法，在保證服務質(zhì)量的前提下最大化的降低網(wǎng)絡能耗，提高網(wǎng)絡的整體性能，更好的為醫(yī)療體域網(wǎng)服務。Otal等人的DQ-MAC方案，使用DQRAP技術，設計新型的MAC層解決方案，通過避免沖突來減少網(wǎng)絡的單位比特能量消耗
DQ-MAC使用接入微時隙和數(shù)據(jù)時隙來分別傳輸接入請求和無沖突數(shù)據(jù)。在DQ-MAC中，網(wǎng)絡內(nèi)的每個節(jié)點需要維護兩個分布式隊列:數(shù)據(jù)傳輸隊列DTQ (Data TransmissionQueue)和沖突解決隊列CRQ (Collision Resolution Queue),分別用來記錄當前的節(jié)點狀態(tài)。令|TQ(t)|和|RQ(t)|分別為第t個時間單元內(nèi)DTQ和CRQ的長度，另外定義Fj,j=l, 2，-m為第j個接入微時隙的反饋，節(jié)點根據(jù)反饋調(diào)整隊列狀態(tài)。具體的隊列系統(tǒng)模型如圖2所示，由隊列沖突解決子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)兩部分組成。因此，DQ-MAC有三個工作規(guī)則，分別為數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則DTR (Data TransmissionRules),請求傳輸規(guī)則RTR (Request Transmission Rules)和排隊等待規(guī)則QDR (QueuingDiscipline Rules),其具體工作方式如下:
(O數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則
I)若|TQ(t) |=0且|RQ(t) |=0，則當前有數(shù)據(jù)發(fā)送的節(jié)點可以從t時刻開始在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。
2)若|TQ(t) I >0，則位于DTQ最前端的節(jié)點可以從t時刻開始在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。(2)請求傳輸規(guī)則
I)若|RQ(t) |=0，則當前有消息需要發(fā)送的節(jié)點可以在t時刻發(fā)送接入請求。2)若I RQ(t) I >0，則位于CRQ最前端的節(jié)點可以在t時刻發(fā)送接入請求。(3)排隊等待規(guī)則
I)在t時刻每成功收到一個Fj, j=l, 2，…m，則所有節(jié)點的|TQ(t) |加I。2)若在t-ι時刻有數(shù)據(jù)成功發(fā)送，則所有節(jié)點的|TQ(t) I減I。3)若|RQ(t) I =0，則所有節(jié)點的|RQ(t) |加n，n為t時刻發(fā)生沖突的微時隙數(shù)量。

4)若|RQ(t) I >0，則所有節(jié)點的|RQ(t) |加η_1，η為t時刻發(fā)生沖突的微時隙數(shù)量。5)所有發(fā)送數(shù)據(jù)和接入請求的節(jié)點都明確知道自己在TQ和RQ中的位置，并能夠根據(jù)位置信息來選擇合適的時間發(fā)送數(shù)據(jù)和接入請求。因此，根據(jù)上述介紹的DQ-MAC的工作規(guī)則，設計的MAC層方案超幀結(jié)構如圖2所不，其中 CAP (Contention Access Period)和 CFP (Contention-Free Period)(英文縮寫分別表示什么意思，其中英文對照應按照如上修改)分別用于傳輸接入請求和無沖突數(shù)據(jù)。從圖3中可以看出，普通節(jié)點與協(xié)調(diào)器進行通信(即圖中的上行部分)由以下兩部分組成:
I)接入微時隙:個數(shù)為m，每個接入請求序列長度為Taks，用于處理節(jié)點的接入請求，相當于DQRAP中的沖突解決隊列。2)數(shù)據(jù)時隙:長度為Tdata，是數(shù)據(jù)傳輸隊列中優(yōu)先微時隙之后的部分，節(jié)點在此期間進行無沖突的數(shù)據(jù)傳輸。而協(xié)調(diào)器與普通節(jié)點進行通信(即圖中的下行部分)則由以下部分組成:
I) ACK確認幀:長度為Tm，用于數(shù)據(jù)包成功傳輸后的確認反饋。根據(jù)IEEE 802.15.4標準，節(jié)點至多保留Taw用來等待確認幀，否則默認傳輸失敗。2)同步報頭Pr:長度為Τρ ，負責接收沖突解決隊列和數(shù)據(jù)傳輸隊列的狀態(tài)信息，用來保證網(wǎng)絡同步。3)反饋包FBP (Feedback Packet):長度固定為TFBP，攜帶網(wǎng)絡的狀態(tài)信息，包括QCR、數(shù)據(jù)包長度、調(diào)制編碼方案。DQ-MAC方案的工作流程如圖4所示，具體介紹如下:
I)步驟1:節(jié)點開始初始化，接收協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的FBP，分別更新CRQ和DTQ狀態(tài)。判斷CRQ是否為空，若CRQ不為空，則節(jié)點需要等待下一幀到來后再根據(jù)FBP信息進行CRQ判斷，若CRQ為空，則繼續(xù)步驟2。)步驟2:判斷DTQ是否為空，若DTQ為空，則節(jié)點在當前時刻的數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸，若DTQ不為空，則繼續(xù)步驟3。)步驟3:節(jié)點發(fā)送接入請求，接收FBP的同時查看接入微時隙狀態(tài)，若該節(jié)點與其它節(jié)點選擇的接入微時隙沖突，則需要等待下一幀到來后接收FBP，并再次進行步驟3，若該節(jié)點與其它節(jié)點選擇的接入微時隙無沖突，則繼續(xù)步驟4。)步驟4:節(jié)點接收FBP，并判斷其在DTQ中的位置是否位于最前端，若為最前端，則直接在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸；若不為最前端，則節(jié)點需等待下一幀到來，并轉(zhuǎn)到步驟4。上述1.2.1中的DQ-MAC方案雖然在一定程度上能夠降低網(wǎng)絡的能量消耗，但是其在面對醫(yī)療體域網(wǎng)的具體應用場景時，存在以下缺點:
I)在DQ-MAC方案中，節(jié)點按照先到先服務(FIFS)的規(guī)則入隊，這雖然在一定程度上保證了網(wǎng)絡中各個節(jié)點的公平性，但是卻無法根據(jù)節(jié)點的實際變化情況對節(jié)點的傳輸順序做出合理的調(diào)整，這就勢必會導致網(wǎng)絡的實際服務質(zhì)量下降。2)在DQ-MAC方案中，沒有考慮到節(jié)點之間的相對重要程度，即在開始通信前，網(wǎng)絡中每個節(jié)點的優(yōu)先級是不同的，因此有必要在傳輸時對不同優(yōu)先級的節(jié)點進行分別考慮。除此之外，節(jié)點在網(wǎng)絡中的實時變化情況也影響著節(jié)點的傳輸情況，諸如節(jié)點的剩余能量，節(jié)點的緩存區(qū)剩余大小等，這些影響網(wǎng)絡服務質(zhì)量的已知和未知的情況在DQ-MAC方案中都沒有涉及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)MAC接入方法，包括以下步驟: 步驟1:節(jié)點開始初始化，接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的反饋包FBP，更新沖突解決隊列CRQ和數(shù)據(jù)
傳輸隊列DTQ狀態(tài)，判斷CRQ是否為空，若CRQ不為空，則節(jié)點需要等待下一幀到來后再根據(jù)FBP信息進行CRQ判斷，若CRQ為空，則繼續(xù)步驟2 ；
步驟2:所述節(jié)點判斷DTQ是否為空，若DTQ為空，則節(jié)點在當前時刻的數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸，若DTQ不為空，則繼續(xù)步驟3 ;
步驟3:所述節(jié)點向所述協(xié)調(diào)器發(fā)送接入請求，接收FBP的同時查看接入微時隙狀態(tài)，若該節(jié)點與其它節(jié)點選擇的接入微時隙沖突，則需要等待下一幀到來后接收FBP，并再次轉(zhuǎn)到步驟3，若該節(jié)點與其它節(jié)點選擇的接入微時隙無沖突，則繼續(xù)步驟4 ；
步驟4:所述節(jié)點接收FBP，并判斷其在DTQ中的位置是否位于最前端，若為最前端，則直接在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸；若不為最前端，則需要通過模糊邏輯優(yōu)先算法進行決策，將結(jié)果發(fā)送給優(yōu)先微時隙，接收FBP，更新CRQ和DTQ狀態(tài)，繼續(xù)步驟5 ；
步驟5:所述節(jié)點根據(jù)優(yōu)先判決結(jié)果判斷是否需要優(yōu)先傳輸，如果不允許節(jié)點優(yōu)先傳輸，則節(jié)點需等待下一幀到來，并轉(zhuǎn)到步驟4 ;如果允許節(jié)點優(yōu)先傳，則節(jié)點直接在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸。本發(fā)明在DQ-MAC方案的基礎上，對它的調(diào)度算法進行優(yōu)化和改進。為了動態(tài)控制網(wǎng)絡中的節(jié)點傳輸順序，需要對數(shù)據(jù)傳輸隊列進行重新調(diào)度和分配，通過模糊邏輯優(yōu)先算法得到符合要求的隊列傳輸順序，具體的隊列系統(tǒng)模型如圖4所示。本發(fā)明在DQ-MAC方案的基礎上，通過引入模糊邏輯的思想，設計新型的實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)MAC層方案。該方案可以根據(jù)醫(yī)療體域網(wǎng)的不同應用需求對網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸進行動態(tài)調(diào)度，快速自適應地選擇不同的傳輸方法，在保證服務質(zhì)量的前提下最大化的降低網(wǎng)絡能耗，提高網(wǎng)絡的整體性能，更好的為醫(yī)療體域網(wǎng)服務。


；
圖1為典型的無線體域網(wǎng)場景 圖2為DQ-MAC方案的隊列系統(tǒng)模型； 圖3為DQ-MAC方案的超幀結(jié)構；
圖4為DQ-MAC方案的工作流程；
圖5為醫(yī)療體域網(wǎng)具體場景的拓撲結(jié)構描述；
圖6為實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)MAC層超幀結(jié)構；
圖7為實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)隊列系統(tǒng)模型；
圖8為模糊邏輯優(yōu)先算法推理過程；
圖9為實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)MAC層工作流程圖。
具體實施例本發(fā)明的應用場景如圖5所示，為了實現(xiàn)實時任務調(diào)度的MAC層功能，本發(fā)明有以下幾個部分組成:
(I)超幀結(jié)構
在DQ-MAC協(xié)議的基礎上，考慮加入相應的參數(shù)變化反饋信息，使用模糊邏輯的概念表示，設計如圖6所示的符合醫(yī)療體域網(wǎng)要求的MAC層超幀結(jié)構。該超幀結(jié)構支持星型拓撲結(jié)構的醫(yī)療體域網(wǎng)，CAP和CFP分別用于傳輸接入請求和無沖突數(shù)據(jù)，其中CFP部分的前端加入相應的優(yōu)先微時隙，用來根據(jù)反饋信息動態(tài)調(diào)度數(shù)據(jù)傳輸。從圖6可以看出，普通節(jié)點與協(xié)調(diào)器進行通信(即圖中的上行部分)由CAP和CFP兩部分組成，其又可以分為以下部分:
I)接入微時隙:個數(shù)為m，每個接入請求序列長度為Taks，用于處理節(jié)點的接入請求，相當于DQRAP中的沖突解決隊列。2)優(yōu)先微時隙:個數(shù)為n，每個微時隙長度為Tph。，位于數(shù)據(jù)傳輸隊列最前端，用于處理節(jié)點的優(yōu)先傳輸請求。3)數(shù)據(jù)時隙:長度為Tdata，是數(shù)據(jù)傳輸隊列中優(yōu)先微時隙之后的部分，節(jié)點在此期間進行無沖突的數(shù)據(jù)傳輸。而協(xié)調(diào)器與普通節(jié)點進行通信(即圖中的下行部分)則由以下部分組成:
I)ACK確認幀:長度為Tm，用于數(shù)據(jù)包成功傳輸后的確認反饋。根據(jù)IEEE 802.15.4標準，節(jié)點至多保留Taw用來等待確認幀，否則默認傳輸失敗。2)同步報頭Pr:長度為Tpp負責接收沖突解決隊列和數(shù)據(jù)傳輸隊列的狀態(tài)，用來保證網(wǎng)絡的同步。3)反饋包FBP:長度固定為TFBP，攜帶網(wǎng)絡的狀態(tài)信息，包括QCR、數(shù)據(jù)包長度、調(diào)制編碼方案MCS以及用于優(yōu)先傳輸判斷的P字段。值得說明的是，協(xié)調(diào)器使用P字段通知網(wǎng)絡中的普通節(jié)點模糊邏輯優(yōu)先算法的結(jié)果，即P字段相當于一個整數(shù)計數(shù)器，代表DTQ中需要優(yōu)先傳輸?shù)墓?jié)點的位置信息，此節(jié)點將在下一個數(shù)據(jù)時隙內(nèi)優(yōu)先發(fā)送數(shù)據(jù)。有時可能不止一個節(jié)點同時請求進行優(yōu)先傳輸，為了保證這些節(jié)點的公平性，協(xié)調(diào)器會選擇相對位置靠前的節(jié)點。若P字段為空，則表明沒有節(jié)點請求優(yōu)先傳輸，網(wǎng)絡將按照DQRAP的規(guī)則進行正常傳輸。(2)模糊邏輯優(yōu)先算法
醫(yī)療體域網(wǎng)中的節(jié)點自身具有不同的屬性和狀態(tài)，為了將這些屬性狀態(tài)綜合起來共同決定節(jié)點的傳輸規(guī)則，在此弓I入模糊邏輯的決策方法。傳統(tǒng)的DQRAP隊列系統(tǒng)模型如圖2所示，雖然在一定程度上保證了網(wǎng)絡中各節(jié)點的公平性，但是卻并不能有效的保證醫(yī)療體域網(wǎng)的服務質(zhì)量。為了動態(tài)控制網(wǎng)絡中的節(jié)點傳輸順序，需要對數(shù)據(jù)傳輸隊列進行重新調(diào)度和分配，通過模糊邏輯優(yōu)先算法得到符合要求的隊列傳輸順序，具體的隊列系統(tǒng)模型如圖7所示。BSN-MAC中協(xié)調(diào)器利用節(jié)點的反饋信息來控制傳輸，我們將這些反饋信息分別提取出來，利用模糊邏輯的概念組合起來進行映射，通過輸出結(jié)果來控制節(jié)點的傳輸。因此，在進行模糊邏輯優(yōu)先算法設計時，模糊器的輸入變量及相應的語言變量為:
1)節(jié)點的優(yōu)先級，用PN表示，且NPe {高優(yōu)先級，中優(yōu)先級，低優(yōu)先級}；
2)節(jié)點剩余緩沖區(qū)大小，用BF表示，且BFe {空間充足，空間適中，空間不足}；
3)節(jié)點剩余能量，用RE表示，且REe {能量充足，能量適中，能量不足}。模糊輸出變量為決策結(jié)果Result E {優(yōu)先傳輸，正常傳輸}，模糊推理過程可以由模糊關聯(lián)存儲矩陣表示，如圖8所示，為一個3X3X3的矩陣。相應的模糊規(guī)則我們使用if-then語句,可以表示為:
權利要求
1.一種實時任務調(diào)度的醫(yī)療體域網(wǎng)MAC接入方法，包括以下步驟: 步驟1:節(jié)點開始初始化，接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的反饋包FBP，更新沖突解決隊列CRQ和數(shù)據(jù)傳輸隊列DTQ狀態(tài)，判斷CRQ是否為空，若CRQ不為空，則節(jié)點需要等待下一幀到來后再根據(jù)FBP信息進行CRQ判斷，若CRQ為空，則繼續(xù)步驟2 ； 步驟2:所述節(jié)點判斷DTQ是否為空，若DTQ為空，則節(jié)點在當前時刻的數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸，若DTQ不為空，則繼續(xù)步驟3 ; 步驟3:所述節(jié)點向所述協(xié)調(diào)器發(fā)送接入請求，接收FBP的同時查看接入微時隙狀態(tài)，若該節(jié)點與其它節(jié)點選擇的接入微時隙沖突，則需要等待下一幀到來后接收FBP，并再次轉(zhuǎn)到步驟3，若該節(jié)點與其它節(jié)點選擇的接入微時隙無沖突，則繼續(xù)步驟4 ； 步驟4:所述節(jié)點接收FBP，并判斷其在DTQ中的位置是否位于最前端，若為最前端，則直接在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸；若不為最前端，則需要通過模糊邏輯優(yōu)先算法進行決策，將結(jié)果發(fā)送給優(yōu)先微時隙，接收FBP，更新CRQ和DTQ狀態(tài)，繼續(xù)步驟5 ； 步驟5:所述節(jié)點根據(jù)優(yōu)先判決結(jié)果判斷是否需要優(yōu)先傳輸，如果不允許節(jié)點優(yōu)先傳輸，則節(jié)點需等待下一幀到來，并轉(zhuǎn)到步驟4 ;如果允許節(jié)點優(yōu)先傳，則節(jié)點直接在數(shù)據(jù)時隙內(nèi)完成數(shù)據(jù)包發(fā)送，得到確認幀完成此次傳輸。
全文摘要
本發(fā)明是在DQ-MAC方案的基礎上，通過引入模糊邏輯優(yōu)先算法，提出了一種實時任務調(diào)度的MAC層設計方案。該方案通過對原有的超幀結(jié)構進行改進，并在DQRAP系統(tǒng)模型中引入模糊邏輯優(yōu)先算法的反饋機制，根據(jù)節(jié)點和網(wǎng)絡的實際情況動態(tài)地調(diào)整網(wǎng)絡中節(jié)點的傳輸順序，提高網(wǎng)絡的服務質(zhì)量，滿足醫(yī)療體域網(wǎng)的實際應用要求。
文檔編號H04L12/865GK103200132SQ20131014160
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權日2013年4月22日
發(fā)明者徐平平, 蘇德榮, 武貴路, 程夢莉, 吳瓊 申請人:東南大學