文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)04-0105-03
0 引言
隨著傳感器技術(shù)和短距離無(wú)線(xiàn)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(cè)等領(lǐng)域[1],。可穿戴式設(shè)備尺寸小且能量受限,,對(duì)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(wú)線(xiàn)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(zhuān)屬的低功耗、安全可靠的無(wú)線(xiàn)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(kāi)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?,增加系統(tǒng)吞吐量,。文獻(xiàn)[5],、文獻(xiàn)[6]從吞吐量和時(shí)延的角度對(duì)IEEE 802.15.6的CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行了研究,但是沒(méi)有對(duì)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(duì)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(méi)有對(duì)隨機(jī)信道接入機(jī)制進(jìn)行研究。本文對(duì)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(guò)對(duì)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(píng)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(píng)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(hù)的競(jìng)爭(zhēng),終端節(jié)點(diǎn)獲得一次競(jìng)爭(zhēng)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(jí)為UP的業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)的最小競(jìng)爭(zhēng)窗長(zhǎng),;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(zhǎng)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(zhǎng)度,,RH是PLCP頭部的發(fā)送速率;LMHR是MAC頭部的長(zhǎng)度,;LFB是數(shù)據(jù)幀負(fù)荷的長(zhǎng)度,,滿(mǎn)足0≤LFB≤255;LFCS是MAC幀校驗(yàn)序列的長(zhǎng)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(jiǎn)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(duì)時(shí)延的要求。假設(shè)業(yè)務(wù)的用戶(hù)優(yōu)先級(jí)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(mén),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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)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(jiàn)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(chǎng)景,當(dāng)終端緩存了多種具有不同優(yōu)先級(jí)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(jìng)爭(zhēng)接入,,在獲得的競(jìng)爭(zhēng)分配內(nèi)只發(fā)送對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù),。
(2)匯聚傳輸。使用低用戶(hù)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的UP進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)接入,,在獲得的競(jìng)爭(zhēng)分配內(nèi)發(fā)送本用戶(hù)優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)以及具有更高用戶(hù)優(yōu)先級(jí)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(duì)應(yīng)的用戶(hù)優(yōu)先級(jí)分別為UP1,,UP2,,…,UPm且滿(mǎn)足UP1≥UP2≥…≥UPm,,在一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)這些組進(jìn)行隨機(jī)排序。
(6)對(duì)于排序后的組,利用組UP值進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)接入,,并在獲得的競(jìng)爭(zhēng)分配內(nèi)發(fā)送該組內(nèi)的MAC幀。
通過(guò)定性分析可知:獨(dú)立傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)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(píng)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(hù)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的每比特平均能耗低于低用戶(hù)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的每比特平均能耗,。因?yàn)橛脩?hù)優(yōu)先級(jí)越高,CWmin[UP]值越小,,在單次競(jìng)爭(zhēng)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(hù)優(yōu)先級(jí)(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?hù)優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)相同的CWmin[UP]/Nmax值,。
圖2是不同幀負(fù)荷長(zhǎng)度下的每比特平均能耗曲線(xiàn),。從圖中可以看出,隨著幀負(fù)荷長(zhǎng)度的增加,,每比特的平均能耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì),,原因是幀負(fù)荷長(zhǎng)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(zhǎng)度小于50 B時(shí),隨著幀負(fù)荷長(zhǎng)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(zhǎng)度值,。當(dāng)幀負(fù)荷長(zhǎng)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(kāi)銷(xiāo)比特長(zhǎng)度固定,,隨著幀負(fù)荷長(zhǎng)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(hù)優(yōu)先級(jí)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(chǎng)景下兩種數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制對(duì)MAC幀的發(fā)送處理過(guò)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(duì)系統(tǒng)能耗的影響,,并針對(duì)小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)CCA能耗過(guò)高的問(wèn)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(hù)優(yōu)先級(jí)業(yè)務(wù)的傳輸能量效率高于低用戶(hù)優(yōu)先級(jí),;系統(tǒng)能量效率對(duì)MAC幀負(fù)荷的長(zhǎng)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(guò)對(duì)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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