基于信道映射的多信道分配方法的MAC协议组成比例

本发明专利技术提出了一种基于信道映射的多信道分配方法的MAC协议，用于解决现有多信道分配的MAC协议中存在的接入时延大和节点能耗严重的技术问题，具体实现步骤包括，在WBAN的信标帧中添加信道状态域，其中利用0或1来表示信道状态；将信道状态域与信道编号进行映射，并在该域中通过0或1来标注各信道状态；有业务到达的节点解析信道状态域后，首先随机选择可用信道并切换至该信道；然后载波侦听，若所切换信道仍然空闲，则开始通信；否则继续停留在所切换信道退避等待或重新随机选择信道，直至消息成功传输。本发明专利技术可以缓解无线体域网中的信道干扰，同时提升网络的吞吐量、时延和能量消耗的性能，可用于增强医疗业务传输质量和可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，涉及一种多信道介质访问控制(MAC，MediaAccessControl)协议，具体涉及一种应用于无线体域网(WBAN,WirelessBodyAreaNetwork)的基于信道映射的多信道分配方法的MAC协议，可以缓解WBAN中医疗业务传输的信道干扰，同时减少数据传输时延和能量消耗，可用于增强医疗业务传输质量和可靠性。
技术介绍
近年来，随着人们对医疗健康服务的意识和需求日益增加，越来越多先进的技术应用到医疗中，WBAN可以为用户提供便捷高效的医疗保健、个人娱乐服务，具有广阔的发展前景。由于WBAN节点受尺寸、供电的限制，对能耗要求严苛，对医疗业务数据传输时延更具有严苛的要求。但是，目前应用于WBAN的单信道MAC协议存在的信道干扰、时延大、能耗和碰撞严重等问题，导致消息无法及时成功的传输。研究人员相继提出了一些基于多信道的MAC协议用来提高网络的性能。在多信道MAC协议中，信道分配方法十分重要，它决定着如何为全网节点选择相应的信道，以保证最佳的网络性能。目前应用于WBAN的多信道协议的多信道分配方法多种多样，如基于时隙映射、时分多址(TDMA，TimeDivisionMultipleAddress)或载波侦听多址，或者通信双方各维持包含信道状态的表。Lee和Rhee等人提出了一种基于时隙映射的多信道分配机制，但该协议并未给出节点间信道选择和接入的协调方式，节点的接入时延也较大；IsmailKirbas等人提出了一种基于TDMA的多信道分配机制，该机制将节点分簇并选出一个普通节点作为协调点来协调簇内节点的信道分配，额外的协调任务会加剧该协调点的能量消耗；同样，Kim等人提出的列表维持方法，根据之前的信道状态利用马尔科夫连预测信道状态，但该协议仍然存在的不足是普通节点要实时更新信道状态列表，使其能量消耗严重。综上，现有的应用于WBAN的多信道分配的MAC协议会带来节点接入时延大，能量消耗严重的问题，且未考虑到WBAN中紧急医疗的优先级特性，使得这些协议应用于WBAN时的网络性能不佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于信道映射的多信道分配方法的MAC协议，用于解决现有多信道分配的MAC协议中存在的接入时延大和节点能耗严重的技术问题。本专利技术的技术思路是：WBAN工作在超帧模式下，协调点在超帧开始时发送包含同步等信息的信标帧，本专利技术在信标帧中添加了信道状态域，在该域中将每个二进制位映射至已被编号的信道。在协调点扫描信道状态后，在信道状态域中依次对信道状态进行标注，其中“0”表示信道可用，“1”表示信道繁忙不可用。普通节点接收到信标帧后，解析该域中每个二进制位所映射的信道编号，根据标注为0的信道编号获取可用信道的频段。有业务到达的节点首先通过随机方式选择可用信道，然后载波侦听，若信道仍然空闲，则开始通信；否则以一定概率停留在当前信道退避等待或跳转至其他信道，直至消息成功传输。根据上述技术思路，实现本专利技术目的采用的技术方案，包括如下步骤：步骤1，在WBAN的信标帧中添加信道状态域，得到标明信道状态的信标帧，其中该域的二进制位0表示信道空闲可用，1表示信道繁忙不可用；步骤2，将得到的信标帧中的信道状态域的二进制位从左到右与信道编号从小到大进行映射，并根据WBAN中的协调点对信道状态的扫描结果，在信道状态域中对各信道状态通过0或1进行标注；步骤3，WBAN中的普通节点接收来自协调点发送的标明信道状态的信标帧，解析该帧的信道状态域，得知每个二进制位所映射的信道编号，并根据该信标帧中信道状态域中标注为0的二进制位所映射的信道编号，获取可用信道；步骤4，WBAN中的普通节点判断是否有业务到达，若是，则执行步骤5；否则执行步骤9；步骤5，WBAN中的普通节点随机选择获取的可用信道，并切换至该信道；步骤6，WBAN中的普通节点载波侦听所切换的信道，判断该信道是否仍然空闲可用，若是，则执行步骤8，否则执行步骤7；步骤7，WBAN中的普通节点根据为其设定的用户优先级概率，判断是否停留在所切换的信道，若是，则按照有冲突避免的载波侦听机制退避等待至信道再次空闲，执行步骤8，否则执行步骤5；步骤8，WBAN中普通节点与协调点开始通信；步骤9，WBAN中普通节点与协调点通信结束或进入休眠状态。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1、本专利技术由于在选择可用信道时采用了信道映射的方法，节点可通过信道映射关系选择信道，减少了节点的信道空闲侦听时间，与现有技术相比，有效地降低了数据传输的接入时延和节点的能量消耗，提高了网络的吞吐量。2、本专利技术由于根据节点用户优先级设置了相应的用户优先级概率，考虑了WBAN中节点不同优先级的业务紧急程度不同，与现有协议相比，有效地提高了信道分配的可靠性，简化了节点间的交互过程。附图说明图1为本专利技术的流程框图；图2为本专利技术中信标帧的结构示意图；图3为本专利技术仿真使用的拓扑结构图；图4为本专利技术与IEEE802.15.6的吞吐量随着节点数目增加的性能对比图；图5为本专利技术与IEEE802.15.6的时延随着节点数目增加的性能对比图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步的详细描述。参照图1，本专利技术的包括如下步骤：步骤1，在WBAN的信标帧中添加信道状态域，该域添加在信标帧结构的末尾，可根据具体应用选择保留或去除该域。信道状态域大小可根据具体应用设为1字节或多字节，信标帧的具体结构参照图2。该域中的二进制位0表示信道空闲可用，1表示信道繁忙不可用，得到标明信道状态的信标帧。步骤2，提前将WBAN中的中心节点与普通节点通信所使用的一定宽度的频带从小到大依次划分为相等宽度的信道，并对这些信道依次进行编号。将得到的信标帧中的信道状态域的二进制位从左到右与信道编号从小到大进行映射。WBAN中的协调点与节点在通信之前首先扫描周围信道状态，扫描完成后，得知哪些信道可用，在该域中对各信道状态通过0或1进行标注，即在该域中对应该信道编号的二进制位中对空闲可用的信道标注为0，为繁忙不可用的信道标注为1；步骤3，WBAN中的普通节点接收来自协调点发送的标明信道状态的信标帧，解析该帧的信道状态域，得知每个二进制位所映射的信道编号，通过信道状态域各二进制位中的0和1，并根据步骤1中的规则，得知标注为0的二进制位所映射的信道编号，获取可用信道；...

【技术保护点】
一种基于信道映射的多信道分配方法的MAC协议，包括如下步骤：(1)在WBAN的信标帧中添加信道状态域，得到标明信道状态的信标帧，其中该域的二进制位0表示信道空闲可用，1表示信道繁忙不可用；(2)将得到的信标帧中的信道状态域的二进制位从左到右与信道编号从小到大进行映射，并根据WBAN中的协调点对信道状态的扫描结果，在信道状态域中对各信道状态通过0或1进行标注；(3)WBAN中的普通节点接收来自协调点发送的标明信道状态的信标帧，解析该帧的信道状态域，得知每个二进制位所映射的信道编号，并根据该信标帧中信道状态域中标注为0的二进制位所映射的信道编号，获取可用信道；(4)WBAN中的普通节点判断是否有业务到达，若是，则执行步骤(5)；否则执行步骤(9)；(5)WBAN中的普通节点随机选择获取的可用信道，并切换至该信道；(6)WBAN中的普通节点载波侦听所切换的信道，判断该信道是否仍然空闲可用，若是，则执行步骤(8)，否则执行步骤(7)；(7)WBAN中的普通节点根据为其设定的用户优先级概率，判断是否停留在所切换的信道，若是，则按照有冲突避免的载波侦听机制退避等待至信道再次空闲，执行步骤(8)，否则执行步骤(5)；(8)WBAN中普通节点与协调点开始通信；(9)WBAN中普通节点与协调点通信结束或进入休眠状态。...

【技术特征摘要】
1.一种基于信道映射的多信道分配方法的MAC协议，包括如下步骤：
(1)在WBAN的信标帧中添加信道状态域，得到标明信道状态的信标帧，其中
该域的二进制位0表示信道空闲可用，1表示信道繁忙不可用；
(2)将得到的信标帧中的信道状态域的二进制位从左到右与信道编号从小到大
进行映射，并根据WBAN中的协调点对信道状态的扫描结果，在信道状态域中对各
信道状态通过0或1进行标注；
(3)WBAN中的普通节点接收来自协调点发送的标明信道状态的信标帧，解析
该帧的信道状态域，得知每个二进制位所映射的信道编号，并根据该信标帧中信道状
态域中标注为0的二进制位所映射的信道编号，获取可用信道；
(4)WBAN中的普通节点判断是否有业务到达，若是，则执行步骤(5)；否则
执行步骤(9)；
(5)WBAN中的普通节点随机选择获取的可用信道，并切换至该信道；
(6)WBAN中的普通节点载波侦听所切换的信道，判断该信道是否仍然空闲可
用，若是，则执行步骤(8)，否则执行步骤(7)；
(7)WBAN中的普通节点根据为其设定的用户优先级概率，判断是否停留在所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长乐，张蓓蓓，苏晓楠，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61