基于自适应轮询的低功耗体域网的分布式接入控制方法技术

本发明专利技术提供基于自适应轮询的低功耗体域网的分布式接入控制方法，属于无线人体局域网领域。本发明专利技术根据信道传输条件的变化，自适应地调整轮询周期T达到能量的最优化，通过改变轮询周期和数据传输速率，实现单位时间内节点的能耗最优，从而降低了网络的功耗，延长节点寿命。本发明专利技术改进了已有算法在实际应用中的不足，从整体上考虑了轮询周期内节点的活动状态，全面衡量节点的能量消耗，从实际应用场景出发，证明了自适应调整系统参数可以取得算法性能的优化。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应轮询的低功耗体域网的分布式接入控制方法
本专利技术是针对无线低功耗人体局域网技术提出的，具体涉及一种基于自适应轮询的低功耗体域网的接入控制方法。
技术介绍
无线人体耦合通信(WirelessBody-CoupledCommunication,WBCC)是一种以人体躯干为中心，在一定范围内实现人体内外、人体与周围固定或移动终端之间数据交换的新型通信方式，是一种特殊的无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSNs)。与传统无线通信手段相比，该技术功耗低、保密性高，对人体的损害也较少，而且能够很好地解决传统无线通信在多点接入时通信效率降低的问题，有望取得比传统无线通信方式更好的应用效果。无线人体局域网技术在医疗、导航定位、个人多媒体以及军事等方面具有非常广阔的应用前景，如智能诊断、治疗，智能运输，智能服装等，而这些应用的实现均以低功耗无线传感器网络的发展为基础，所以设计低功耗接入控制方法具有非常重要的意义。现有无线传感器网络的接入控制方法主要分为同步法和异步法两大类，其中同步法主要有S-MAC,T-MAC等，这类方法最鲜明的特点是所有节点周期性地休眠和清醒，而异步方法则采用大于休眠时间的长信号帧来唤醒接收节点，实现信号的传输，其中具有代表性的算法有T-MAC,X-MAC,Wise-MAC等。但是，在ISM频段中，这些方法都是基于射频物理层的，由此导致的人体阴影和低能效的问题一直没有得到很好解决。后来，国外学者尝试采用人体作为通信信道，提出了人体耦合通信(Body-CoupledCommunication,BCC)的概念，提高了通信可靠性和能量效率。其中，StevenCorroy等提出了一种新型的以体耦合信道作为物理层的异步接入控制方法：Ada-MAC算法。经过NS-2网络模拟器的仿真实验比较后发现，在同等的人体耦合通信网络参数条件下，该方法比其他MAC算法的可靠性更好，延迟更低，而且能量效率也比较高。但上述方法也有几个方面的不足：首先，仅考虑到节点发送导频阶段的能量，而没有考虑到节点所有活动情况下消耗的能量；其次，没有考虑到不同数据流的不同速率，因为在实际应用中，在人体信道传输的数据类型不同，传输数据的速率也会不同。
技术实现思路
鉴于上述方法的不足，本专利技术提出了一种基于自适应轮询的低功耗体域网的接入控制方法。本专利技术的技术方案如下。基于自适应轮询的低功耗体域网的分布式接入控制方法，根据信道传输条件的变化，自适应地调整轮询周期T达到能量的最优化，所述信道传输条件包括传输数据类型和信道传输速率，具体包括以下步骤：步骤一：建立单位时间内的接入活动模型：在体耦合人体信道中，节点的活动状态包括轮询、休眠、发送和接收四种；轮询状态是指节点周期性地监测信道状态，为本节点发送数据或接收数据做准备；休眠状态是指节点既不发送数据也不接收数据的一种状态，这种状态下节点不会收到信道中传输的信息或数据，也不能发送数据给其他节点；发送状态是节点利用信道发送数据或信息给其他节点的过程；接收状态是指节点接收其他节点发送过来的信息或数据的过程；在体耦合人体信道中，所有节点都会周期性地轮询信道，轮询是节点自适应唤醒的过程，是节点在所有状态中转换的开始；步骤二：建立单位时间内的节点能耗模型：在一个单位时间内的节点总能耗(E)定义为这段时间内轮询状态所消耗的能量(Epoll)，发送状态的能量(Etx)，接收状态的能量(Erx)以及休眠状态的能量(Esleep)的总和；步骤三：求出节点的最优能耗，即节点能耗最小值；引入参数Rdata表示数据传输速率，节点根据网络中传输数据流的类型确定Rdata，为了确定单位时间内能耗最小值情况下的最优轮询周期T，使用求导法令即得出在特定数据传输速率下节点的最优轮询周期T。上述步骤一中，一个轮询周期内节点存在的可能状态共有如下三种情形：情形一：1)轮询信道，检查到信道空闲；2)所述节点无需发送或接收数据，所述节点就此转入休眠状态，等待下一次轮询；情形二：1)轮询信道，检查到信道空闲；2)信道空闲，所述源节点需要发送数据到所述目的节点，所述源节点开始发送导频帧到所述目的节点，所述源节点进入到发送状态；3)网络中的节点周期性地轮询信道，检测到所述源节点发送过来的导频帧，并通过导频帧中的信息确定所述目的节点，此时所述目的节点发送一个RTR包到所述源节点，通知所述源节点开始发送数据包；4)所述源节点在接收到所述目的节点发送的RTR包后，开始发送数据，直至发送数据结束；5)数据发送结束后，所述目的节点发送一个ACK包到所述源节点，确认数据发送过程结束，所述源节点收到所述目的节点发送的ACK包后，所述源节点和所述目的节点都进入到休眠状态，等待下一次轮询；情形三：1)轮询信道，检查到信道占用；2)所述节点接收到信道中的导频帧，根据导频帧的目的信息确定自身为导频帧的目的节点，进入到接收状态；3)所述节点向发送导频帧的所述源节点发送RTR包，所述源节点在接收到所述节点发送的RTR包后开始发送数据；4)所述节点开始接收数据，直至数据接收结束，所述节点向所述源节点发送ACK数据包，确认数据发送结束；5)所述源节点接收到ACK数据包，所述节点和所述源节点进入到休眠状态，等待下一次轮询。上述控制方法中，一个轮询周期内，轮询状态总是最先发生，节点在休眠、发送数据或接收数据之前总是要先轮询信道，监测信道是否空闲；本专利技术建立节点在单位时间内的能量模型，并据此推算出节点在单位时间内消耗能量的表示式，从理论上证明了节点能耗会随着轮询周期的变化而变化，而在最优轮询周期的条件下达到节点能耗最低。上述步骤三中，根据节点单位时间能耗与轮询周期之间的关系，得出最优轮询周期的影响参数，从而在体耦合人体网络中，自适应地调整轮询周期T达到能量的最优化；最优的轮询周期：式中，Ppoll>Psleep即轮询功率大于休眠功率，由公式(22)可知，信道正常运行时，轮询周期T与单次轮询时长Lpoll-once，数据传输速率Rdata以及导频参数p有关系，其基本关系如下：在单一条件变化的条件下，单次轮询的时长Lpoll-once越长，轮询周期T越长；数据传输速率Rdata越大，轮询周期T越短；又因为导频参数p>1,k>1,则随着p越大，轮询周期T越长。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：本专利技术通过改变轮询周期和数据传输速率，实现单位时间内节点的能耗最优，从而降低了网络的功耗，延长节点寿命。本专利技术在上述机制的作用下，可以从整体上实现节点能耗的最优化。在实际运用中，例如在医疗领域，节点根据传输的数据类型来调整传输速率，得到最优轮询周期T，降低网络功耗，延长节点寿命，实现了性能优化。附图说明图1为实例中节点在单位时间内的活动示意图。图2为实例中情形1节点的活动示意图。图3为实例中情形2节点的活动示意图。图4为实例中情形3节点的活动示意图。具体实施方式下面结合附图通过具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明，但本专利技术的实施不限于此。首先分析人体耦合通信网络信道中节点的活动状态模型。在体耦合人体信道中，节点的活动状态主要有轮询、休眠、发送和接收四种。轮询状态是指节点周期性地监测信道状态，为本节点发送数本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于自适应轮询的低功耗体域网的分布式接入控制方法，其特征在于根据信道传输条件的变化，自适应地调整轮询周期T达到能量的最优化，所述信道传输条件包括传输数据类型和信道传输速率，具体包括以下步骤：步骤一：建立单位时间内的接入活动模型：在体耦合人体信道中，节点的活动状态包括轮询、休眠、发送和接收四种；轮询状态是指节点周期性地监测信道状态，为本节点发送数据或接收数据做准备；休眠状态是指节点既不发送数据也不接收数据的一种状态，这种状态下节点不会收不到信道中传输的信息或数据，也不能发送数据给其他节点；发送状态是节点利用信道发送数据或信息给其他节点的过程；接收状态是指节点接收其他节点发送过来的信息或数据的过程；在体耦合人体信道中，所有节点都会周期性地轮询信道，轮询是节点自适应唤醒的过程，是节点在所有状态中转换的开始；步骤二：建立单位时间内的节点能耗模型：在一个单位时间内的节点总能耗(E)定义为这段时间内轮询状态所消耗的能量(Epoll)，发送状态的能量(Etx)，接收状态的能量(Erx)以及休眠状态的能量(Esleep)的总和；步骤三：求出节点的最优能耗，即节点能耗最小值；引入参数Rdata表示数据速率，节点根据网络中传输数据流的类型确定Rdata，为了确定单位时间内能耗最小值情况下的最优轮询周期T，使用求导法令即得出在特定数据速率下节点的最优轮询周期T。...

【技术特征摘要】
1.基于自适应轮询的低功耗体域网的分布式接入控制方法，其特征在于根据信道传输条件的变化，自适应地调整轮询周期T达到能量的最优化，所述信道传输条件包括传输数据类型和信道传输速率，具体包括以下步骤：步骤一：建立单位时间内的接入活动模型：在体耦合人体信道中，节点的活动状态包括轮询、休眠、发送和接收四种；轮询状态是指节点周期性地监测信道状态，为本节点发送数据或接收数据做准备；休眠状态是指节点既不发送数据也不接收数据的一种状态，这种状态下节点不会收到信道中传输的信息或数据，也不能发送数据给其他节点；发送状态是节点利用信道发送数据或信息给其他节点的过程；接收状态是指节点接收其他节点发送过来的信息或数据的过程；在体耦合人体信道中，所有节点都会周期性地轮询信道，轮询是节点自适应唤醒的过程，是节点在所有状态中转换的开始；步骤二：建立单位时间内的节点能耗模型：在一个单位时间内的节点总能耗(E)定义为这段时间内轮询状态所消耗的能量(Epoll)，发送状态的能量(Etx)，接收状态的能量(Erx)以及休眠状态的能量(Esleep)的总和；步骤三：求出节点的最优能耗，即节点能耗最小值；引入参数Rdata表示数据传输速率，节点根据网络中传输数据流的类型确定Rdata，为了确定单位时间内能耗最小值情况下最优的轮询周期T，使用求导法令即得出在特定数据传输速率下节点最优的轮询周期T；根据节点单位时间能耗与轮询周期之间的关系，得出最优轮询周期的影响参数，从而在体耦合人体网络中，自适应地调整轮询周期T达到能量的最优化；最优的轮询周期：式中，Ppoll＞Psleep即轮询功率大于休眠功率，Ptx表示节点发送状态下的功率，由公式(22)可知，信道正常运行时，轮询周期T与单次轮询时长Lpoll-once，数据传输速率Rdata以及导频参数p有关系，其基本关系如下：在单一条件变化的条件下，单次轮询的时长Lpoll-once越长，轮询周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘娇蛟，马碧云，韦岗，李哲，杨萃，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44