无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法与流程

本发明涉及一种保护时隙自适应分配方法，更具体的说，尤其涉及一种基于802.15.4的可保证无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性的保护时隙自适应分配及性能评价方法。

背景技术：

随着无线通信技术的迅速发展，无线体域网(WBAN)已广泛应用于医疗、运动、娱乐、环境感知等领域。根据不同应用场景的通信要求，网络的性能指标也不同，如时延、吞吐量、可靠性、功耗等。无线体域网包括多种数据类型，如，周期性数据、间歇性数据、紧急数据等。对于紧急数据，IEEE 802.15.4标准的保护时隙(GTS)分配机制通过在超帧周期内分配专属的数据传输时间段，用于实现该类型数据传输的实时性、可靠性。

GTS是一段预先分配的专属的数据传输时间段，在一个超帧周期内，可供分配的GTS最大数为7。GTS分配通常由协调器统一管理，当节点需要GTS资源时，可以在竞争期内向协调器发送GTS请求，收到请求命令后，协调器根据GTS记录表中的顺序按照先进先出(FCFS)的原则分配GTS资源。而GTS的解除分配通常需要协调器监测GTS资源的使用情况，通过启用终止计时器来确定何时终止已分配的GTS资源。当已分配的GTS资源经过2*k个超帧周期仍然没有使用，其中，当0≤BO≤8，k＝2^8-BO，9≤BO≤14，k＝1，则协调器将收回该GTS资源。该GTS资源分配的主要缺点在于：1)固定的FCFS服务原则往往不能满足实时性强、流量大的应用场景；2)GTS的滥用会导致其它数据不能及时传输，降低网络吞吐量；3)导致数据传输频率较低的节点长时间不能使用GTS资源。

技术实现要素：

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于802.15.4的无线体域网的保护时隙自适应分配及性能评价方法。

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：

Tth＝Kc^1/BO (1)

其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：

其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；

d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；；e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：

如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；

在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：

如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；

f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：

min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth (3)

如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

1).设节点的优先级数分布，假定无线体域网中数据包的达到服从泊松分布，到达速率为λ，如果有新的数据包到达，则节点在当前超帧中发送GTS请求；设每一个节点的优先级数分布为：

D＝[P1,P2,...,PK] (4)

其中，Pi表示节点的优先级数为i的稳态概率，其通过公式(5)进行求取：

其中，π(s,i)表示节点的流量状态为s、优先级数为i的概率，0≤i≤K，s的取值为1、2、3、4、5时，分别表示节点的流量状态为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；

2).状态转移概率的计算，令P(s,i)(r,j)表示节点的流量状态由当前超帧的状态s变到下一超帧的状态r、同时优先级数由i变到j的状态转移概率，根据步骤e)中所述的节点优先级升高的转移概率为：

其中，Ppro(s,i)表示节点在当前超帧的流量状态为s、优先级数为i而在下一超帧中优先级升高的概率；

相应地，节点优先级下降的转移概率为：

3).节点优先级上升概率的计算，由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为：

其中，Sv表示节点在前一超帧中的优先级为v、但是没有分配到GTS资源的概率；

令G(m,n,l,v)表示无线体域网中优先级数大于v的节点数为m、小于v的节点数为n、等于v的节点数为l的概率，则：

进一步，可以得到：

其中：

其中，a为GTS的最大个数，取为7；

4).数据流量特性的分析，联合公式(4)至(10)，即可得到节点的稳态概率分布D，通过对每个节点的稳态概率分布D的分析，即可反映出各个节点长期的数据流量特性；如果该分布与各个节点的长期实际数据流量特性相吻合，则表明该保护时隙自适应分配方法是有效的。

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，还包括公平性评价步骤，通过公式(11)求取公平性指标：

其中，Ti为第i节点数据包的平均等待时间。

本发明的有益效果是：本发明的保护时隙自适应分配方法，通过为节点设置流量状态和优先级数，当节点在当前超帧中有GTS请求或者数据发送时，则升高节点的流量状态并降低节点的优先级数，以提高节点优先级；否者，则降低节点的流量状态并升高节点的优先级数，以降低节点优先级；当有节点的优先级数小于设定的启动阈值时，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，保证了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。

进一步地：本发明的保护时隙自适应分配方法，打破了IEEE 802.15.4标准中GTS资源分配的不灵活性，提高了GTS资源的使用效率，从而提高了网络吞吐量。

本发明的保护时隙自适应分配方法，很好地预测各个节点GTS资源的使用情况，避免了低优先级的节点长时间不能使用GTS资源的缺点。

本发明的保护时隙自适应分配方法，分配方案基于IEEE 802.15.4MAC协议，其实现只需要协调器的优先级和状态信息，无额外的协议开销。

附图说明

图1为802.15.4协议中超帧的结构图；

图2为本发明的无线体域网的网络拓扑结构图；

图3为本发明中节点的流量状态和优先级数的变化规则图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法，通过以下步骤来实现：

a).设定优先级数，设无线体域网为由一个协调器和N个传感器节点组成的星型网络拓扑结构，传感器节点的优先级数在0,1,…,K表示的K+1个优先级数中取值，优先级数为正整数；传感器节点的优先级数越大代表该节点的优先级越低，优先级数越小代表该节点的优先级越高；

如图2所示，给出了本发明的无线体域网的网络拓扑结构图。

b).设定流量状态，将所有传感器节点的流量状态分为五级，分别为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；初始状态下，所有节点的流量状态均设置为非常低VL；

c).设定保护时隙启动阈值，根据公式(1)设定保护时隙GTS启动的阈值Tth：

Tth＝Kc^1/BO (1)

其中，c为常数，且0＜c≤1；K为步骤a)中设定的优先级数的最大值；BO是与超帧长度BI和活跃阶段长度SD相关的参数：

其中，0≤BO≤14，0≤SO≤BO≤14；

如图1所示，给出了802.15.4协议中超帧的结构图，超帧的初始阶段是协调器发送的信标，然后是活跃阶段和非活跃阶段，在活跃阶段，协调器和节点之间可以相互通信，在非活跃阶段，所有节点进入休眠模式。其中，活跃阶段又分为基于竞争的随机访问阶段和无竞争访问阶段。

对于非实时性数据，一般通过基于竞争的访问模式(CSMA/CA)即可满足数据传输的要求，但是，对于紧急数据通过无竞争的访问模式传输，可以避免在随机访问阶段由于多次竞争失败导致的传输时延，提高数据传输的可靠性。

d).分配优先级数，初始状态下，所有节点被随机分配一个优先级数，假定第n个节点对应的优先级数是Prn，0≤Prn≤K；

e).优先级数和流量状态的调整，在当前超帧中，如果节点成功发送一个GTS请求或者使用已分配的GTS资源发送数据，则按照如下规则提升流量状态和降低优先级数，以提高节点的优先级：

如果节点当前流量状态为非常低VL，则将其提升至中等M，优先级数除以8之后下取整；

如果节点当前流量状态为低L，则将其提升至高H，优先级数除以4之后下取整；

如果节点当前流量状态为中等M，则将其提升至非常高VH，优先级数除以4之后下取整；

如果节点当前流量状态为高H，则将其提升至非常高VH，优先级数除以2之后下取整；

如果节点当前流量状态为非常高VH，则保持非常高VH的流量状态，优先级数除以2之后下取整；

在当前超帧中，如果节点没有发送GTS请求或者已分配的GTS资源没有使用，则按照如下规则降低流量状态和升高优先级数，以降低节点优先级：

如果节点当前流量状态为非常高VH，则将其降低至高H，优先级数取当前优先级数加1和最大值K之中的最小值；

如果节点当前流量状态为高H，则将其降低至中等M，优先级数取当前优先级数加2和最大值K之中的最小值；

如果节点当前流量状态为中等M，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；

如果节点当前流量状态为低L，则将其降低至非常低VL，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；

如果节点当前流量状态为非常低VL，则保持其非常低VL的流量状态不变，优先级数取当前优先级数加3和最大值K之中的最小值；

如图3所示，给出了本发明中节点的流量状态和优先级数的变化规则图，可以看出，节点优先级数的增大/变小取决于节点的数据流量情况。一方面，如果较低优先级的节点突然有紧急数据要发送，可以通过成功发送GTS请求来快速升高其优先级，因为，其优先级数是以指数速度减小的，这样避免了较少数据流量的节点连续多个超帧周期内不能获得GTS资源的缺点。另一方面，较高优先级的节点如果暂时没有数据发送，其优先级数将变大，故优先级将暂时降低，这样可以较快的释放GTS资源，避免了GTS资源长时间被较多数据流量的节点占用的缺点。事实上，流量状态(VH，H，M，L，VL)反映了短期内节点数据传输的情况，而优先级数则反映了节点长期的数据流量特性。

f).优先级数与启动阈值的比较，判断是否有满足不等式(3)的节点存在：

min{Pr1,Pr2,...,PrN}≤Tth (3)

如果有满足不等式(3)的优先级数存在，且当前超帧中有频段用于GTS分配，则在当前超帧中给具有最小优先级数的节点分配GTS资源，以供具有最大优先级的节点实时传输数据；

当下一超帧到来时，跳转执行步骤e)。

这里，Tth的选取可以防止GTS资源的不必要的分配，比如，当所有节点的优先级数都比较大时，此时网络数据流量较少，因而可以依赖基于竞争的方式传输数据。同时，当帧的长度较长时，节点将可以以较大的概率发送GTS请求，进而，在下一超帧中获得GTS资源。

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的性能评价方法，通过以下步骤来实现：

1).设节点的优先级数分布，假定无线体域网中数据包的达到服从泊松分布，到达速率为λ，如果有新的数据包到达，则节点在当前超帧中发送GTS请求；设每一个节点的优先级数分布为：

D＝[P1,P2,...,PK] (4)

其中，Pi表示节点的优先级数为i的稳态概率，其通过公式(5)进行求取：

其中，π(s,i)表示节点的流量状态为s、优先级数为i的概率，0≤i≤K，s的取值为1、2、3、4、5时，分别表示节点的流量状态为非常高VH、高H、中等M、低L和非常低VL；

2).状态转移概率的计算，令P(s,i)(r,j)表示节点的流量状态由当前超帧的状态s变到下一超帧的状态r、同时优先级数由i变到j的状态转移概率，根据步骤e)中所述的节点优先级升高的转移概率为：

其中，Ppro(s,i)表示节点在当前超帧的流量状态为s、优先级数为i而在下一超帧中优先级升高的概率；

相应地，节点优先级下降的转移概率为：

3).节点优先级上升概率的计算，由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为：

其中，Sv表示节点在前一超帧中的优先级为v、但是没有分配到GTS资源的概率；

由于节点优先级数上升包括以下两种情形：1)在当前超帧中有新的数据包到达，那么节点会发送GTS请求包，导致节点在下一超帧中的优先级升高；2)节点在当前超帧中没有新的数据包达到，在以前超帧中有数据包产生，但是没有获得GTS资源分配，因而需要重新发送GTS请求。由于数据包的到达服从泊松分布，故节点优先级上升的概率可以表示为公式(8)的形式。

令G(m,n,l,v)表示无线体域网中优先级数大于v的节点数为m、小于v的节点数为n、等于v的节点数为l的概率，则：

进一步，可以得到：

其中：

其中，a为GTS的最大个数，取为7；

4).数据流量特性的分析，联合公式(4)至(10)，即可得到节点的稳态概率分布D，通过对每个节点的稳态概率分布D的分析，即可反映出各个节点长期的数据流量特性；如果该分布与各个节点的长期数据流量特性相吻合，则表明该保护时隙自适应分配方法是有效的。

还包括公平性评价步骤，通过公式(11)求取公平性指标：

其中，Ti为第i节点数据包的平均等待时间。

本发明的无线体域网的保护时隙自适应分配方法的优点体现在：

(1)该方案通过动态分配GTS资源，实现了无线体域网紧急数据传输的实时性、可靠性和公平性。

(2)打破了IEEE 802.15.4标准中GTS资源分配的不灵活性，提高了GTS资源的使用效率，从而提高了网络吞吐量。

(3)该方案可以很好地预测各个节点GTS资源的使用情况，避免了低优先级的节点长时间不能使用GTS资源的缺点。

(4)该GTS分配方案基于IEEE 802.15.4MAC协议，其实现只需要协调器的优先级和状态信息，无额外的协议开销。