英语原文共 22 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
A-MAC:用于无线体域网的自适应介质访问控制协议
摘要
无线体域网（WBAN）最近的工作，特别是现代医疗保健系统使我们能够在无线传感器(节点)的帮助下监测人体。但是，提供给节点的电池电力有限，并且电池电力依赖于无线电活动。MAC协议对控制无线电活动起着关键作用。因此，我们针对WBANs提出了基于线性规划模型的自适应介质访问控制(A-MAC)协议，以实现最小化能源消耗和最大化数据流。我们提出的协议在保护频带分配技术和睡眠/唤醒机制方面是自适应的。我们专注于具体的应用程序，从而在不断扫描身体更新信息的节点的帮助下监控人体。如果当前值在正常范围内，则节点不尝试访问信道。但是，如果当前值上升或下降超出允许范围，则节点将其收发器切换到接入信道。而且，A-MAC使用TDMA方法来访问信道和明确定义的同步方案以避免冲突。此外，我们通过MATLAB仿真进行综合分析，以提供延迟扩展的估算。仿真结果证明，与对应协议相比，所提出的协议在网络寿命和吞吐量方面表现更好。
关键字 信道接入，TDMA，无线体域网，IEEE 802.15.4，延迟扩展，分组丢弃，线性编程
I.引言
在现代生活中，人们希望获得关于他们身体的信息。一种支持远程监控的专用无线传感器网络（WSN）被称为WBAN。WBAN的一个重要应用是保健监测。该应用程序可以使患者远程观察，诊断和规划。因此，与传统的医疗保健方法相比，WBAN在医学领域作为有前途的网络蓬勃发展。总体来说，WBAN分为侵入性和非侵入性的网络[1]。
节点扫描身体以收集所需的信息并将这些信息发送到相应的电台。站的配备通常为高功率，但节点配备的电源有限。在典型的WBAN / WSN中，大部分功率都由收发器消耗。在这些网络中，单一生理参数的改变会同时触发身体节点上的许多数据传输。WBAN中的这种流量关联导致了对中等访问的高竞争。此外，节点的有限功率不会使我们忽略收发器的无线电活动。因为MAC层控制无线电活动，因此，有必要瞄准节能的MAC协议。为此，提出了许多MAC协议，但是，空间不允许我们对所有MAC协议进行解释。
我们提出的A-MAC协议以一种组织良好的方式控制休眠和唤醒模式。节点定期感知身体，但是，它们不会定期传送。传输因应用而异。作为特殊的一种，只要数据在正常范围内波动就会发生这种情况。 如果读数继续在正常范围内，则节点继续处于空闲模式。此外，用于通信和自适应保护频带分配的保证时隙进一步促进了能量效率。用于最小化能耗和数据流量最大化的线性规划模型，以及MATLAB仿真支持的延迟扩展分析，丰富了设计和理解的层次。
本文的其余部分组织为：第2节提供相关工作，第3节包含动机，第4节介绍我们提出的协议的简要说明，第5,6和7节包含能耗分析，基于线性规划的网络模型和延迟分别传播。 第8节提供了仿真结果，第9节给出了结论以及未来的工作，最后给出了参考文献。
II.相关工作
IEEE 802.11及其进一步增强功能（如IEEE 802.11 b / g / n）适用于中等范围的高速无线网络，如无线局域网（WLAN）。它支持高数据速率。但是，IEEE 802.11具有较高的能量需求并且带宽管理被剥夺，这使得它完全不适合WBAN。 IEEE 802.15.4专为无线个人区域网络（WPAN）设计，其范围为10到20米。该协议可用于医疗保健和消费电子应用。但是，它不支持设备异质性和生命关键的保证传输。 由于导致开销的信标广播，IEEE 802.15.4 MAC的信标启用模式在长期监视应用中不能有效执行。IEEE 802.15.4 MAC的非信标启用模式使用简单的CSMA / CA，这增加了空闲信道评估（CCA）的能量需求。
Okundu等人在[2]提出了单跳WBAN的MAC协议，它具有唤醒/休眠机制以及唤醒回退时间的重要特性。该协议的核心进程是主从关系，当从节点试图与主节点通信失败时，从节点进入休眠模式。而且，中央控制机制避免了过度监听，并且连续时隙避免了碰撞。
Timmons等人在[3]中提出了使用基于TDMA的方法的MedMAC。保护带介于两个相邻的槽之间，这有助于避免重叠，并且取决于实际情况。此外，保证时隙用于克服冲突。
文献[4]中提出的S-MAC通过分配固定占空比来解决空闲监听问题。协调器节点为节点分配固定时隙用于唤醒。唤醒后，节点返回睡眠模式，通过同步机制减少冲突。
[5]中的作者讨论H-MAC在同步机制上的作用。该协议使用自然心跳来实现节点的同步。因此，节点在其同步所需的额外能量方面是独立的。专用时隙分配用于克服碰撞。
在[6]中提出的McMAC处理WBAN中不同流量的多约束QoS。该技术引入了取决于节点流量的超帧结构。如果相应的QoS是可实现的，那么节点在特定的时间段内发送，而且它还提供处理紧急业务的机制。
文献[7]中提出的AR-MAC使用带有中心节点的星形拓扑结构，并使用信道访问TDMA方法。它使用一种新颖的同步方案，中央节点使用专用时隙进行通信。为了避免碰撞，实施了自适应防护带方法。
[8]中的作者分析了链路上的两种数据包丢失模型。这些是Random Uniformed模型和Gilbert-Elliott模型。 简要讨论这两种模型并提供模拟结果。
III. 研究动机
为WBAN设计MAC层协议的主要目标是：高可靠性和低能耗。 在IEEE 802.15.4的信标启用模式中，广播需要信标分组，这导致开销。 IEEE 802.15.4的非信标启用模式需要额外的能量用于清除信道评估（CCA）操作。在像S-MAC，Med-MAC和McMAC这样的协议中，睡眠时间表定期交换，导致高同步开销。早期基于WBAN的MAC协议改进的大部分工作就像绘制照片的一面。 研究人员似乎将重点放在与同步，冲突避免，时隙分配，保护带分配，紧急数据优先等相关的问题上。在[5]中，作者提出了WBAN MAC的要求：能源效率，支持同时运行和服务质量（QoS）。在文献[9]中，关于WBAN的MAC协议的综合研究被提出，其关注能量最小化技术，例如低功率监听，调度争用和TDMA。然而，图片的另一面，即传输的数量仍然像一个黑影。假设是一个周期内收发器消耗的能量。
= （1）
其中是睡眠模式下消耗的能量，是主动模式下消耗的能量。 与主动模式相比，收发器在睡眠模式下消耗更少的能量。 因此，我们强调一种使最小化的适应性方法。
IV. A-MAC
我们提出的协议高效地利用可用资源，因为它基于特定的应用场景，有助于降低能耗。 A-MAC使用TDMA技术，保证时隙（GTS）被分配给每个节点进行通信。
为简化实现，我们假设星形拓扑（如图1所示）; 单个节点感知来自身体的所需信息并将其发送给协调节点（CN）。CN通过接入点（AP）直接或间接将收到的信息转发给监测站（MS）。CN被赋予更大的电池和更高的计算能力。我们假设，CN内的单个收发器。总时帧分为三部分：与节点通信的无争用时段（CFP），适应按需流量的争用访问时段（CAP）和用于将节点数据传送给MS的时间。以下小节详细阐述了拟议的协议。
图1. WBAN拓扑
- 适应性睡眠和唤醒机制
节点感应人体收集所需的信息，例如：温度，血压，脉率等。节点仅在满足感兴趣的标准时访问信道，否则节点继续处于空闲模式。感兴趣的标准因应用程序而异。
图2.信道选择
例如，让我们考虑血压的情况，如果当前检测到的血压正常，则节点继续处于空闲模式。当电流感测值从正常范围漂移时，节点切换到活动模式，在那里它尝试访问通道以便将数据传输到CN。通过这种方式，节点通过自适应睡眠和唤醒机制来最小化传输次数，最终节省大量的能量。
B. 信道选择
在开始时，CN扫描空闲的射频（RF）频道。如果繁忙，CN关闭当前的RF信道并切换到另一个RF信道。这个过程一直持续到CN找到一个空闲的RF信道，然后它将信道数据包广播给节点。通道数据包包含有关CN的地址和通道信息的信息。与此过程并行，节点扫描空闲RF信道，如果忙，等待时间监听信道数据包。如果未收到信道数据包，则节点从当前RF信道关闭并切换到下一个信道。当节点成功接收到信道数据包时，它向CN发送确认（ACK）数据包，如图2所示。
C. 时隙分配
空闲RF信道的选择之后是从节点到CN的时隙请求（TSR）分组，其包括节点的数据速率以及关于时隙（TS）的信息。为了有效地利用可用资源，CN根据自己的业务量自适应地为节点分配TS和保护带时间（）。从CN到节点的时隙请求应答（TSRR）之后是可变TS和的分配。为了避免插入两个连续时隙之间的干扰。 我们计算如下：
（2）
（3）
（4）
其中是取决于平均漂移值的保护频带因子。在第一个时隙之前插入，在第个时隙之前插入。在TS分配之后，节点切换到睡眠模式，仅当它们在其分配的TS内具有要发送的数据时切换到唤醒模式。该机制提供几乎无碰撞和可靠的TS，并降低能耗。分配如图3所示。
图3.具有保护带时间的时隙分配
- 同步机制
为了在分配的TS内有效地进行通信，CN需要与节点进行同步。 在预期的TS内，CN监听数据包。 在接收到数据分组时，CN比较预期的接收时间和当前的接收时间。令D是可接受的延迟。噪声值（DV）是从当前和预期的接收时间计算出来的，它用于未来的同步。 如果差值大于D，则使用捎带机制，即CN发送SYNChronization ACKnowledgement（SYNC-ACK）分组内的DV用于未来的同步。否则，简单的ACK数据包由CN发送。
- 数据包类型
A-MAC处理两种类型的包; 数据包和控制包。数据包包含节点的感应数据，控制包包括：
1）信道分组（CP）：它包括CN的地址和信道信息。
2）时隙请求（TSR）分组：将用于GTS的CN的请求信息嵌入在TSR分组中。
3）时隙请求应答（TSRR）分组：该分组包括CN对节点的回复以及GTS信息。
4）同步 - 确认（SYNC-ACK）分组：DV与最后接收的数据的ACK一起在SYNC-ACK分组中耦合。
5）数据请求（DR）分组：CN向节点发送DR分组以便满足按需流量。
6）用于数据分组的ACK的确认（ACK）分组。
V. 能耗分析
能量消耗模型是基于收发器的活动，我们假设传感和处理单元的能量不断消耗。为了尽量减少能源消耗，睡眠和唤醒机制起着至关重要的作用。设为一个周期内的总消耗能量，为睡眠模式下的能量消耗，为主动模式下的能量消耗。于是，
(5)
n个周期的总能量消耗由下式给出，
(6)
能量是时间和功率的函数，功率本身是电压和电流的函数。在睡眠模式下，与主动模式相比，节点消耗更少的能量。
(7)
(8)
其中，是总帧持续时间，是从电压源V在睡眠模式下绘制的电流。 设是节点的活动持续时间。 在节点消耗：切换能量，传输能量，接收能量和超时能量。
(9)
为了在睡眠和活动模式之间切换，收发器消耗能量。
(10)
其中节点在切换持续时间期间从电压源吸取电流。
令是分组长度（控制或数据），是单字节传输所需的时间，是在传输过程中从V中汲取的电流量。传输过程中消耗的能量由下式给出：
(11)
类似地，在接收器端消耗的能量被计算为：
(12)
在发送ACK分组之后并且在其接收之前的时间间隔被称为超时周期（）。在期间消耗的能量被称为超时能量（）。
(13)
其中，是在期间从电压源V引出的电流。
VI. 线性规划问题的公式化与建模
我们考虑一种WBAN场景，其中节点从身体收集数据并将收集的信息直接或通过接入点间接发送到接收器。因此，WBAN由两类节点组成：监控节点和汇聚节点，收集接收端的信息。在WBAN模型中，节点和汇的位置根据应用预先确定。令S为节点集合，其中S = [i，j，...，n]和汇聚节点k。 如果位于其通信范围中，则每个节点与其邻近的接入点或接收器建立链路。根据拓扑表示，以下是连接参数。
其中iisin;S。节点和汇点之间的链接取决于节点和汇点之间的接近度和距离。
我们使用[10]中使用的传播无线电模型。i和j（或i和k）之间的路径损耗系数用eta;（i，j）（或eta;（i，k））表示，对于人体视线（LOS），它的值等于3.38。非视距（NLOS）为5.9。为了计算节点的能量消耗，假设节点不在传输范围内并且我们希望通过该
全文共12767字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14461]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
