无线体域网MAC层IEEE802.15.6协议研究

苏礼辉　张重庆

摘  要： 在无线体域网中，IEEE 802.15.6协议可以满足不同的体域网应用要求。控制无线信道和能量消耗的MAC层协议在保障高服务质量，低功耗和高数据传输率方面有更好的保障。通过与IEEE 802.15.4协议进行实验对比，表明区分业务优先级的IEEE 802.15.6协议在低能耗的前提下，保证了高优先级业务传输的可靠性，具备更低的数据丢包率，适用于各种要求高数据传输率，高服务质量和高安全性的医疗和非医疗应用。

关键词： 无线体域网;IEEE 802.15.6;IEEE 802.15.4;CSMA/CA

中图分类号： TN915.04    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.02.042

【Abstract】： In the wireless body area network， the IEEE 802.15.6 protocol can meet different body area network application requirements. The MAC layer protocol that controls the wireless channel and energy consumption is better protected against high quality of service， low power consumption and high data transmission rate. Compared with the IEEE 802.15.4 protocol， the IEEE 802.15.6 protocol， which prioritizes service priorities， guarantees the reliability of high-priority service transmission and has a lower data packet loss rate. For a variety of medical and non-medical applications requiring high data rates， high quality of service and high security.

【Key words】： WBAN; IEEE 802.15.6; IEEE 802.15.4; CSMA/CA

0  引言

無线体域网[1]，综合了传感器技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等，以人体为中心，通过人体体内，表面或附近的微型，低功率和轻量级电子设备进行通信，把人体加入通信网络，摆脱了运动空间受限等问题。

无线体域网继承无线传感器网络，作为第四代传感器网络标志，使用各种不同的具备感知，信息收集等功能传感器和电子设备，通过无线通信形成分布式自组织网络，将人类信息通过无线网络关联在一起，由其便利性和实时性，其在实时监测，医疗领域[2]和日常活动，娱乐和军事领域都有巨大的发展潜力。相应的，当前无线体域网络也存在各种挑战，主要集中在能耗和安全性问题上。传感器受其尺寸有限影响，一般采用电池供能，通常消耗能量无法得到补充，如何更加有效使用能量，是其重要问题[3]。同样的，在一些如需高保密性的项目中，安全问题也是尤其重要。

无线传感器网络[4-8]通信协议分为物理层，数据链路层（即MAC层），网络层，传输层和应用层，其中MAC层负责为整个网络管理无线信道，MAC层对无线信道的利用效率关系无线网络的整体性能高低。同时MAC层负责协调无线传感器能量使用，降低能耗，提高能量使用率也是MAC层的重要使命，各种从改进能量利用结构[9]，改进网络拓扑结构[10]等提升网络寿命，作为无线传感器网络的核心技术，不同的MAC协议被设计用来适应千变万化的应用场景[11-12]。在无线体域网中，MAC协议设计更加看重低信道丢包率，同时要尽可能保持更低能耗。在当前，用于无线体域网的无线通信协议有很多，诸如IEEE 802.15.4协议和基于802.15.4针对不同场景的派生协议等，但这些协议初衷并不是为了无线体域网而生，很多时候不能满足无线体域网络的要求，在无线体域网中，与传统无线传感器网络单一业务相比，WBAN业务更加多样，根据数据类型不同，优先级也不一样。为推动WBAN规范化，2012年，IEEE 802.15.6工作组第六任务组制订了满足不同应用需求的无线体域网国际标准IEEE 802.15.6[13]。

1  IEEE 802.15.6

IEEE 802.15.6协议规定了物理层和mac层协议规范，物理层定义了窄带物理层（Narrowband PHY），超宽带物理层（Ultra wideband PHY），人体通信物理层（Human body communications PHY）三种物理层。MAC层根据不同的业务数据类型，分为了8个不同的用户优先级Up，如表1所示。

根据不同应用需求，设定三种不同的访问模式：带信标的超帧模式（Beacon mode with beacon peri ods），不带信标的超帧模式（Non-beacon mode with superframes）和不带信标的非超帧模式（Non-beacon mode without superframes）。在信标超帧模式中，IEEE 802.15.6将超帧结构分为：独占访问阶段1（exclusive access phase 1， EAP1），随机访问阶段1（random access phase 1， RAP1），管理访问阶段（managed access phase， MAP），独占访问阶段2（exclusive access phase 2， EAP2），随机访问阶段2（random access phase 2， RAP2），另一个管理访问阶段（managed access phase ，MAP），竞争访问阶段（contention access phase ，CAP）。

其中RAP1长度不可为0，其余阶段根据应用需求可将长度设置为0。EAP阶段用于高优先级业务数据传输，当eap阶段结束，高优先级数据未传输完成，将占用rap阶段。EAP，RAP，CAP阶段使用基于优先级的时隙CSMA/CA协议或者时隙aloha协议进行数据传输。

2  CSMA/CA

在无线通信中，信道冲突是一个重要问题，避免无线信道中发生的数据冲突的载波侦听/冲突避免（CSMA/CA）机制是无线通信协议的重要组成部分。CSMA/CA机制要求在业务数据发送到信道之前，要先进行信道监听，如果介质达到发送标准，则发送数據帧;否则，该数据帧等待当前数据帧传输完成再发送。在IEEE 802.15.4协议的CSMA/CA 机制中，当节点有数据要发送，首先进行信道检测，当信道空闲，则发送数据帧，否则就冻结退避器，当退避器为零，发送数据。当数据发送不成功，进入数据重传，当重传次数达到顶值，丢弃数据帧。IEEE 802.15.4协议CSMA/CA流程图如图2所示。

相比IEEE 802.15.4协议，IEEE 802.15.6协议的CSMA/CA机制通过优先级差异化来保证高优先级业务的流量传输的可靠性，通过划分8个优先级，设定不同的重传次数，用户首先根据优先级获得一个竞争窗口CW和退避计数器，以确定节点何时获得新的竞争分配，如表1所示。当退避计数器退避为零，节点获得一次发送机会，当发送失败重新初始化或者重传时，重新设置竞争窗口

CW，并根据竞争窗口CW重新设置退避计数器，退避计数器应在[1，CW]随机取值，CW取值应该遵循如下规则：

IEEE 802.15.6协议CSMA/CA机制流程如图3所示。

3  仿真分析

3.1  仿真环境

实验使用基于OMNet++的castalia插件进行实现。实验共分为两组，一组对IEEE 802.15.4协议进行实验，使用时隙CSMA/CA竞争协议，另一组为IEEE 802.15.6实验，使用协议的基于优先级的CSMA/CA竞争协议，两组实验规定数据包速率Prate分为10包/秒，20包每秒，30包/秒三组对比试验，对应仿真非饱和环境和饱和环境，实验共使用17个节点，一个中心节点，16个普通节点，每个普通节点在IEEE 802.15.4实验下，无优先级，在IEEE 802.15.6实验下，每个普通节点对应优先级Upk（0，1，2，3，4，5，6，7），实验时间time为50秒，对丢包率和能耗进行比较。

3.2  丢包率

无线体域网中，节点nk发送N个数据包，中心节点hub成功接收到K个数据包，丢包率Drop=（N-K）/N，其中N=Prate*time。

如图4所示，可以看到，无论在非饱和流量信道还是饱和流量信道，IEEE 802.15.6协议都可以保证高优先级业务节点的低丢包率，降低无线信道冲突，保障高优先级用户的可靠性，健壮性。

3.3  能耗

无线体域网的能量总消耗包括数据传输消耗的能量和CSMA/CA竞争消耗的能量，还有网络中处于睡眠状态消耗的能量。

从上图可以看出，数据传输需要消耗更多能量，在饱和网络中，IEEE 802.15.6协议和IEEE 802.15.4同样可以保持较低能耗。相近情况下，IEEE 802.15.6能更好处理高优先级用户的数据帧传输。

4  结论

本文对无线体域网进行了探讨，对当前应用于无线体域网的经典MAC层协议IEEE 802.15.4和IEEE 802.15.6做了对比试验，从实验结果可以看出，在无线体域网的可靠性和能耗方面，IEEE 802.15.6在饱和流量信道网络和非饱和网络都可以保障高用户优先级的数据帧传输保持低丢包率，同时能耗保持在低消耗状态。IEEE 802.15.6协议为无线体域网设计，相比现在应用于医疗行业的无线通信协议，有更高的优越性，高Qos，低能耗，高安全性设计保证让IEEE 802.15.6的未来有更好，更广泛的应用。

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