基于ZigBee的醫(yī)療系統(tǒng)非時(shí)隙CSMA/CA算法研究

侯睿，王涵，金繼歡，張俊敏

（中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢 430074）

近年來，隨著醫(yī)護(hù)工作要求的不斷提高，醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的性能也在不斷提升，相關(guān)研究表明，現(xiàn)在主流的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)不足、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸椥暂^低等問題，因此以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)成為主流趨勢(shì).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSNs）由低成本、具有通信與數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)根據(jù)分布式協(xié)議以多跳通信方式構(gòu)成無線通信自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠根據(jù)環(huán)境需求完成智能化感知、信息采集等任務(wù)［1-2］.

目前，隨著WSNs技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，在復(fù)雜環(huán)境下保證數(shù)據(jù)穩(wěn)定及時(shí)的傳輸至關(guān)重要.而沖突避免的載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，CSMA/CA）算 法 作 為WSNs領(lǐng)域廣泛運(yùn)用的受控訪問機(jī)制成為重點(diǎn)研究對(duì)象.

1 相關(guān)工作

目前國內(nèi)外在CSMA/CA算法研究上取得了一些進(jìn)展：文獻(xiàn)［3］提出一種事件鏈計(jì)算（ECC）方法來對(duì)非時(shí)隙CSMA/CA算法建模，ECC可以生成所有可能的結(jié)果，通過適當(dāng)?shù)拈撝颠x擇，可以降低延遲，而對(duì)準(zhǔn)確性的影響很小.文獻(xiàn)［4］提出一種退避方法（EBA-15.4MAC），該方法能夠降低碰撞概率，同時(shí)提高時(shí)隙CSMA/CA算法的性能，但無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性.文獻(xiàn)［5］修正和擴(kuò)展了現(xiàn)有的馬爾可夫模型，比較了MAC層不同參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響，但該模型沒有考慮物理層傳輸錯(cuò)誤的概率.文獻(xiàn)［6］提出一種基于二維馬爾可夫鏈的分析模型來分析能耗，結(jié)果表明非時(shí)隙CSMA/CA算法優(yōu)于時(shí)隙CSMA/CA算法.文獻(xiàn)［7］提出了一種網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估模型，在不同類別的終端節(jié)點(diǎn)有不同的分組速率的前提下，能夠精確計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)在空閑信道評(píng)估過程中信道繁忙的概率.文獻(xiàn)［8］提出一種基于優(yōu)先級(jí)的CSMA/CA算法，該算法根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷自適應(yīng)調(diào)整退避指數(shù)，以較小的延遲代價(jià)提升了網(wǎng)絡(luò)性能，但該模型沒有考慮重傳機(jī)制.文獻(xiàn)［9］提出一種EIED算法來提高網(wǎng)絡(luò)性能，EIED算法檢測(cè)到信道繁忙或空閑后，皆能夠根據(jù)退避因子來調(diào)整退避值大小，結(jié)果表明EIED算法優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA算法.文獻(xiàn)［10］提出一種優(yōu)先協(xié)議，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，確保高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定可靠通信.文獻(xiàn)［11］提出一種改進(jìn)的CSMA/CA算法，根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的距離進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，向距離較遠(yuǎn)的終端提供更公平的通信.文獻(xiàn)［12］對(duì)MAC參數(shù)和碰撞概率進(jìn)行了分析，但沒有提出提升網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化方法.文獻(xiàn)［13］分析了幾種延遲與能耗之間平衡的方法，但沒有考慮可靠性.因此，以上方法雖然在一定程度上提高了CSMA/CA算法的性能，但在應(yīng)用于醫(yī)療系統(tǒng)需要數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、延遲短等方面還存在著局限性.

本文針對(duì)基于醫(yī)療系統(tǒng)的非時(shí)隙CSMA/CA算法，首先設(shè)計(jì)出一套基于ZigBee無線傳感器技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提出一種改進(jìn)的非時(shí)隙CSMA/CA算法，對(duì)隨機(jī)退避值的選取進(jìn)行優(yōu)化，加入重傳機(jī)制，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，同時(shí)建立了非時(shí)隙CSMA/CA算法的三維馬爾可夫鏈模型，分析了關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于可靠性和延遲的影響，將數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)優(yōu)先接入信道，以達(dá)到數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)哪康?

2 網(wǎng)絡(luò)建模

2.1 非時(shí)隙CSMA/CA算法分析模型

本文根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自組織特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)單跳星型網(wǎng)絡(luò)，其中包含一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和N個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)異步發(fā)送數(shù)據(jù)幀.幀傳輸主要受退避次數(shù)（Number of Backoffs，NB）、退 避指數(shù)（Backoff Exponent，BE）以及重傳次數(shù)（Frame Retry，F(xiàn)R）影響.對(duì)于任何準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，終端節(jié)點(diǎn)需要在規(guī)定范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)退避周期進(jìn)行退避，當(dāng)退避時(shí)間結(jié)束后，進(jìn)行空閑信道評(píng)估（Clear Channel Assessment，CCA）來感知信道是否空閑，如果信道空閑，終端節(jié)點(diǎn)直接發(fā)送數(shù)據(jù)幀到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；如果信道被占用，則進(jìn)行下一次退避，終端節(jié)點(diǎn)對(duì)新的退避值重新處理.

為了保證數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)目煽啃?，設(shè)計(jì)出一種非時(shí)隙CSMA/CA算法重傳機(jī)制，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)返回的確認(rèn)幀（ACK），終端節(jié)點(diǎn)將再次訪問信道并重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，并將FR的值加1，當(dāng)FR達(dá)到最大值后，則傳輸失敗丟棄該數(shù)據(jù)幀.

如圖1所示，模型具有三維狀態(tài){s(t)，c(t)，r(t)}，在t時(shí)刻，s(t)∈(0，m)表示退避階段，c(t)∈(Wi-1，W0-1)代表退避計(jì)數(shù)器的狀態(tài)，r(t)∈(0，r)代表重傳次數(shù)的值，m表示退避次數(shù)的最大值，r表示重傳次數(shù)的最大值，Wi表示第i次退避的競(jìng)爭(zhēng)窗口，公式為：

圖1 非時(shí)隙CSMA/CA算法的三維馬爾可夫鏈模型圖Fig.1 3D Markov chain model diagram of unslotted CSMA/CA algorithm

其中初始競(jìng)爭(zhēng)窗口W0=2m0，而mm為BE的最大值，m0為BE的最小值.

將整個(gè)馬爾可夫過程劃分為5個(gè)組件，分別是隨機(jī)退避、信道空閑評(píng)估、數(shù)據(jù)包成功接收、終端節(jié)點(diǎn)未收到確認(rèn)幀以及丟棄數(shù)據(jù)包.根據(jù)馬爾可夫鏈的規(guī)律，節(jié)點(diǎn)所有狀態(tài)和為1，得到如下等式：

根據(jù)馬爾可夫鏈模型圖可以推導(dǎo)出每個(gè)組件的表達(dá)式由b0，0，0表示，如下：

定義Pc為重傳概率，即終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀到信道但未收到確認(rèn)幀的概率，造成重傳的原因有兩個(gè)：1）碰撞；2）物理層傳輸錯(cuò)誤.設(shè)Pt為物理層傳輸錯(cuò)誤的概率，因此重傳概率Pc為：

其中0≤Pt≤1，N表示終端節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù).同樣的，為了求得CCA失敗概率α，即進(jìn)行空閑信道評(píng)估發(fā)現(xiàn)信道被占用的概率，可以將CCA失敗概率α分為兩部分：數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)CCA失敗概率αdata和確認(rèn)幀傳輸時(shí)CCA失敗概率αack，因此CCA失敗概率α為：

對(duì)αdata和αack分別進(jìn)行計(jì)算：

由（10）～（12）式可以推導(dǎo)出CCA失敗概率α為：

聯(lián)立（3）～（7）式，代入（2）式，可求出b0，0，0的表達(dá)式，表達(dá)式可以構(gòu)成一個(gè)非線性方程組，用數(shù)值方法求解，可以求出信道感知概率τ、重傳概率Pc以及CCA失敗概率α的值.

2.2 性能指標(biāo)

利用2.1中提出的三維馬爾可夫鏈模型進(jìn)行可靠性和延遲性能分析.

2.2.1 可靠性分析

在非時(shí)隙CSMA/CA算法中，將可靠性定義為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)成功接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的概率，未成功接收數(shù)據(jù)幀的原因主要有兩個(gè)：（1）信道訪問失??；（2）幀傳輸時(shí)超出了重傳限制.因此，可靠性Pr為：

2.2.2 延遲分析

在非時(shí)隙CSMA/CA算法中，將延遲定義為從終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀到終端節(jié)點(diǎn)接收到確認(rèn)幀之間的時(shí)間間隔，丟棄的包不考慮延遲.將總延遲分為3部分：（1）退避階段的延遲Dbs；（2）數(shù)據(jù)幀成功傳輸時(shí)的延遲Dts；（3）終端節(jié)點(diǎn)未接收到確認(rèn)幀時(shí)重傳過程的延遲Drs，因此，總延遲D為：

當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行空閑信道評(píng)估時(shí)，發(fā)現(xiàn)信道繁忙，則進(jìn)入隨機(jī)退避階段，此階段的延遲Dbs［15］為：

由于成功傳輸過程中幀的總長度為La，則Dts=LaT0，T0為時(shí)隙單位，值為320 us.重傳過程的延遲Drs為：

其中Dks表示第k次重傳時(shí)，數(shù)據(jù)幀傳輸失敗的延遲.

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，本文在OMNET++5.6.2平臺(tái)上進(jìn)行非時(shí)隙CSMA/CA算法仿真實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型拓?fù)洌鐖D2所示.實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)定為1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和12個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)定期向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀.選擇3個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)來評(píng)估算法的性能，分別為重傳次數(shù)的最大值r，退避次數(shù)的最大值m，退避指數(shù)的最小值m0.參數(shù)設(shè)置r的取值范圍為［1，7］，m的取值范圍為［3，6］，m0的取值范圍為［1，6］，設(shè)置物理層傳輸錯(cuò)誤概率Pt的值分別為0.05，0.1，0.2三種情況，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)物理層傳輸錯(cuò)誤概率是相同的.另外利用MATLAB中fsolve函數(shù)計(jì)算的性能指標(biāo)與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較分析，仿真參數(shù)如表1所示.

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Network topology structure

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 可靠性分析

為了驗(yàn)證所提出的非時(shí)隙CSMA/CA算法在醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的效能，本文選擇Biswas模型［6］進(jìn)行比較，Biswas模型是一種IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)二維馬爾可夫鏈模型，沒有重傳機(jī)制，因此只對(duì)其可靠性進(jìn)行分析比較.如圖3（a）所示，m0設(shè)置為3，m設(shè)置為4，可靠性隨著r的變大而變大，物理層傳輸錯(cuò)誤概率Pt的值不同，可靠性也不同，當(dāng)Pt較小時(shí)，可靠性隨著r的變大而顯著變大，當(dāng)r大于5時(shí)，可靠性變大的幅度減小，因?yàn)檫^多的重傳會(huì)增加碰撞概率，從而導(dǎo)致丟包率變大，因此，r并不是越大越好，偏大反而會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)開銷.如圖3（b）所示，m0設(shè)置為3，r設(shè)置為3，可以看出m的值對(duì)可靠性沒有顯著的影響.如圖3（c）所示，m設(shè)置為4，r設(shè)置為3，m0會(huì)影響可靠性，因?yàn)閙0決定了初始競(jìng)爭(zhēng)窗口的大小，偏大的m0可以減小碰撞概率.從以上分析可知，影響可靠性最主要的因素是r.仿真結(jié)果與MATLAB求解得出的結(jié)果相比較，誤差率很低，與Biswas模型相比，當(dāng)增加了重傳機(jī)制后，所提出的模型具有更高的可靠性.

圖3 可靠性分析Fig.3 Reliability analysis

3.2.2 延遲分析

同樣，本文分析了3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)延遲的影響.如圖4（a）所示，當(dāng)Pt較小時(shí)，r對(duì)延遲的影響不明顯，然而當(dāng)Pt較大時(shí)，延遲隨著r的變大而變大，這是因?yàn)楫?dāng)Pt較小時(shí)，大多數(shù)終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀不需要重傳就能傳輸成功.如圖4（b）所示，只有當(dāng)Pt較大時(shí)，延遲會(huì)隨著m的變大而變大.如圖4（c）所示，隨著m0的變大，延遲明顯變大，因?yàn)閙0決定了初始競(jìng)爭(zhēng)窗口，m0越大，接入信道前的等待時(shí)間就越長，因此，影響延遲的主要參數(shù)是m0.仿真結(jié)果與MATLAB求解得出的結(jié)果相比較，誤差率較低.

圖4 延遲分析Fig.4 Delay analysis

3.3 數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)

由于此非時(shí)隙CSMA/CA算法運(yùn)用于醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為了保證重要的醫(yī)療數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先傳輸，該算法會(huì)對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分.本文對(duì)醫(yī)療數(shù)據(jù)等級(jí)的評(píng)判主要依照各項(xiàng)身體指標(biāo)在醫(yī)治過程中的重要程度.醫(yī)療領(lǐng)域主要數(shù)據(jù)分為：1）人體的體征數(shù)據(jù)，如心率、血壓、血氧等；2）環(huán)境溫度，如溫度、濕度等；3）其他信號(hào)，如緊急情況的報(bào)警信號(hào)、患者發(fā)出的求救信號(hào)等.根據(jù)上述醫(yī)療數(shù)據(jù)的重要程度，將人體的體征數(shù)據(jù)以及其他信號(hào)劃分為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度劃分為低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù).在上文分析中得出，m0是影響延遲的主要參數(shù)，為了保證高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，因此給高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的m0初始值設(shè)置為2，低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)的m0初始值設(shè)置為3，以此讓高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)能夠優(yōu)先接入信道，通過仿真實(shí)驗(yàn)，如圖5所示，高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)比低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)接入信道的概率更高，且隨著終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，終端節(jié)點(diǎn)接入信道的概率會(huì)減小.

圖5 不同優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)信道接入概率Fig.5 Channel access probability of data with different priorities

4 總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠提高醫(yī)院的信息化管理能力以及運(yùn)行效率.本文提出了一種非時(shí)隙CSMA/CA算法，根據(jù)醫(yī)療數(shù)據(jù)的重要程度，將醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分，對(duì)因碰撞等原因?qū)е聛G棄的包進(jìn)行重傳，提高了可靠性，降低了延遲，在醫(yī)療領(lǐng)域具有理論和實(shí)際的參考意義.