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文 | 枫月书生A
编辑 | 枫月书生A
前言
本文提出了一种改进的基于流量类优先级的载波感知多址、冲突避免方案，用于无线体域网内IEEE 802.15.4介质访问控制的异构生物医学传感器节点的优先级信道访问。
该方案的主要优点是提供对不同流量类别的异构BMSN的优先级信道访问，减少数据包交付延迟、数据包丢失和能耗，并提高吞吐量和数据包交付比率。
在 TCP-CSMA/CA 中 ，BMSN 根据现有患者的数据分类分布在四个流量类别中。退避指数 （BE） 从 1 开始，以消除第三、第四和第五回退中回退周期范围的重复。建议使用五个适度设计的退避期范围，以便在争用期间的每个退避期间为每个流量类分配一个不同的、最小化的和优先的退避期范围。
使用 NS-2 进行了全面验证，以确定 TCP-CSMA/CA 在数据包传输延迟、吞吐量、PDR、丢包率 （PLR） 和能耗方面的性能。结果表明，所提出的TCP-CSMA/CA方案比基于IEEE 802.15.4的PLA-MAC、eMC-MAC和PG-MAC方案性能更好，数据包交付时延降低了47%，PDR提高了63%。
无线体域网
无线体域网提供无人监督，不显眼和实时的连续健康监测，并用于各种应用，如医疗，个人保健，消费电子，军事，运动和健身，娱乐和康复系统。WBAN通过提供各种疾病的主动管理和早期诊断，在人类医疗保健领域取得了进步。
BMSN可以很好地放置在身体或布上（可穿戴）或体内（植入）。这些BMSN体积小、智能且重量轻，能耗低，这些BMSN的网络有助于医疗用户持续观察患者的健康状况并产生实时反馈。
在WBAN中，使用异质性BMSN。这些 BMSN 在计算、存储容量、能耗和数据生成速率方面有所不同。异构BMSN生成各种数据包。许多数据包可以容忍一些损失，但需要在特定的时间范围内交付，而其他数据包不能容忍许多损失，需要在特定的时间范围内交付。
WBAN传输距离短，计算能力有限，存储容量不足，带宽低。WBAN在各种应用中的使用产生了对高效通信协议的需求。
WBAN 中 BMSN 的能量有限，因此需要降低网络的整体能耗。与BMSN协调以访问共享介质的介质访问控制（MAC）是实现降低能耗的最合适层。
此外，MAC层在获得高性能方面也起着重要作用。因此，已经提出了各种MAC方案来降低能耗，例如参考文献。此外，某些 MAC 方案旨在提供流量优先级，例如在引用中。
传统上，一些现有的 WBAN 信标启用 MAC 协议使用 IEEE 802.15.4 的标准时隙载波检测多址、冲突避免方案进行访问信道的争用。
在时隙方案中，退避指数在第一次退避中初始化为 3，在第二次和第三次退避时分别变为 4 和 5。在第四次和第五次回退中，BE 的值保持为 5。在退避周期范围方程中使用 BE = 5 的值时。
相比之下，一些现有的流量优先级 MAC 协议自定义了的时隙方案，以便在争用期间提供优先信道访问。
但是，即使在自定义时隙方案中，高优先级流量类的退避周期范围也会在每次退避的低优先级流量类的退避周期范围内重复使用，这可能会导致非优先级通道访问。
其中一些在退避周期范围方程中使用自定义变量而不是 BE。因此，在第一次退避中分配给每个流量类的 BMSN 的特定退避期范围在第二次、第三次、第四次和第五次退避中保持不变。
此外，在大多数现有的基于信息流优先级 MAC 协议中，每个退避周期范围从每次退避中的零开始，这可能导致先前的信道访问 BMSN。
针对基于IEEE 802.15.4 MAC和IEEE 802.15.4流量优先级MAC协议现有时隙CSMA/CA存在的问题，提出具有增强退避周期范围方程的TCP-CSMA/CA方案，以消除重复过程，提高TCP-CSMA/CA在数据包交付延迟、吞吐量、PDR、丢包率（PLR）和能耗方面的性能。
在每次退避中，在 CAP 中的信道访问期间，为每个流量类的 BMSN 分配一个不同的、最小化的和优先的退避周期范围，从而降低冲突率、延迟、数据包丢失率和能耗，同时提高吞吐量和 PDR。
与IEEE 802.15.6的CSMA/CA机制相比，所提出的TCP-CSMA/CA机制具有以下优点。
在TCP-CSMA/CA中，每个信息流类在每次退避中都会获得一个不同的优先退避周期范围，而在IEEE 802.15.6中，高优先级流量类的退避周期范围在每次回退中低优先级流量类的退避周期范围内重复使用，这可能导致高优先级数据的传输延迟，因为先前传输了低优先级数据。
信标启用模式的时隙
每个 BMSN 在 MAC 超帧的 CAP 期间使用时隙方案来争夺通道访问以传输其数据包。MAC 子层使用时隙方案在信标启用模式下进行传输。
时隙方案使用三个变量：退避次数 、争用窗口和 BE。NB是CSMA/CA方案针对每次传输尝试所需的退避次数，并在每次新的传输尝试开始时初始化为零。CW是在传输开始前清除信道的等待时间。
最初，标准槽CSMA/CA方案初始化变量NB = 0和CW = 2。这个时隙方案也使用了一些常量：macMinBE和aMaxBE。macMinBE是最小回退数，其默认值为3，而aMaxBE是最大退避数，初始化为5。
体域网-体协调器宣布下一个超帧，并通知 BMSN 定位下一个退避期的边界。在这个超帧中，在 CAP 期间，BMSN 的 MAC 子层从范围 中选择一个随机数，并等待选定的退避周期数。
此外，BMSN 的 MAC 子层要求 PHY 子层在回退周期边界执行清除信道评估，以确保无冲突信道访问。如果通道空闲，则 CSMA/CA 方案将 CW 的值减少 1。如果CW的值不等于零，则BMSN的MAC子层请求PHY子层在退避周期边界再次执行CCA，并验证信道的状态。
如果通道处于空闲状态，则 CSMA/CA 方案再次将 CW 的值减少 1，并再次检查 CW 的值是否为零。
此外，如果NB的值大于 macMaxCSMABackoffs 的值，则 BMSN 将丢弃数据包，并且 CSMA/CA 方案终止。如果 NB ≤ macMaxCSMABackoffs，则 CSMA/CA 方案将启动下一个退避。
每个BMSN最多执行5次退避，以针对每个数据包访问通道。在第一次退避中，每个 BMSN 从范围中选择一个随机数，并完成所选次数的退避周期。
在第二次退避中，每个 BMSN 从范围中选择一个随机数。同样，在第三次退避中，随机数的选择来自范围，该范围在第四次和第五次退避中保持不变。
TCP-CSMA/CA方案的设计
TCP-CSMA/CA 方案与开槽 CSMA/CA 方案的架构设计，详细讨论所有退避的建议退避期范围、流量类优先级和退避过程。此外，TCP-CSMA/CA 的每个改进退避的算法中进行。
图1 基于流量类别优先级的载波感知多址/冲突避免方案流程图
拟议的 TCP-CSMA/CA 方案为所有退避提供了不同的、最小化的和优先的退避期范围，以通过引入以下等式来解决上述问题。
第二次退避中使用的退避期范围：
第三次退避中使用的退避期范围：
第四次退避中使用的退避期范围：
第五次退避中使用的退避期范围：
流量类优先级
在模拟人体上部署了14个异质BMSN。它们直接连接到身体上的本地基站，身体协调员（BC）。所有BMSN都部署在BC周围3 m范围内。
每个都使用争用将其观察到的数据包传输到 BC，以访问 CAP 中的通道。假设BMSN的处理能力和能量供应有限，而BC具有更多的处理能力和外部电源，其余仿真参数如表3。
每个 BMSN 都需要一些时间来传输数据包，PLA-MAC使用变量而不是 BE 用于 CSMA/CA 中的流量优先级，这会导致每个流量类使用不同的退避期范围。
具有高优先级 CP 的 BMSN 获得退避周期范围，具有 RP 的 BMSN 获得退避周期范围 ，具有 DP 的 BMSN 获得退避周期范围，而具有 OP 的 BMSN 获得退避周期范围。此外，所有 BMSN 在所有退避中使用分配的退避周期范围。
BMSN 的初始数量具有高优先级和低退避期范围，而不断增加的 BMSN 具有低优先级和高退避期范围。因此，具有高退避期范围的 BMSN 的数据包传输会延迟。因此，在第五次BMSN之后，PLA-MAC的数据包交付延迟增加。
这逐渐增加，直到第十四个BMSN，但是，对于实时患者数据而言，这种性能下降是不可接受的。此外，在eMC-MAC中观察到相同的情况，其中变量代替 BE 用于 CSMA/CA 中的流量优先级。
因此，具有 CP 和 RP 的 BMSN 获得 0 作为退避期，具有 UPS 的 BMSN 获得退避期范围，具有 DP 的 BMSN 获得退避期范围，具有 NP 的 BMSN 获得退避期范围。具有 DP 和 NP 的 BMSN 的数据包传输由于回退周期范围较高而延迟。因此，在 eMC-MAC 中，数据包传递延迟在第四个 BMSN 之后逐渐增加，在第九个 BMSN 之后变得更糟。
图2 平均数据包传送延迟与 BMSN 数量。
同样，在图2，PG-MAC 方案使用 D类型变量而不是 BE 来计算退避周期范围。因此，每个流量类仅使用一个退避周期范围，该回退周期范围在所有退避中保持不变，导致由于重传碰撞的数据包而导致高冲突和性能下降。
因此，PG-MAC在第4个BMSN之后显示出更高的延迟，在第7个BMSN之后逐渐增加。建议的 TCP-CSMA/CA 观察到最低的平均数据包传递延迟。原因是每个流量类在每次退避中都会获得不同的、最小化的和优先的退避期范围。
即使在最后一次回退中，最低 TC 的退避周期范围的上限也是 31，这也减少了属于最低级别 TC 的 BMSN 的数据包交付延迟。因此，TCP-CSMA/CA方案降低了平均数据包交付延迟，与PLA-MAC、eMC-MAC和PG-MAC方案相比，分别提高了58%、23%和59%。
在 PLA-MAC 中，具有 DP 和 OP 的 BMSN 使用较高的退避周期范围。因此，PLA-MAC的吞吐量逐渐降低。
在所有退避中重复分配相同的退避周期范围会增加冲突，从而导致更多的重传，从而降低 PLA-MAC 的整体吞吐量。
同样，在 eMC-MAC 中，优先级较低的流量类获得较高的退避周期范围，从而导致吞吐量下降。图3表明eMC-MAC的吞吐量非常低，直到第五个BMSN。这是因为前五个 BMSN 的 CP 或 RP 使用 0 作为退避数，导致 CP、RP 或 CP 和 RP 之间的数据冲突很高。
同样，PG-MAC 的吞吐量逐渐增加，但在每次退避中为每个流量类分配相同的退避周期范围会降低 PG-MAC 的吞吐量。与基准 MAC 方案相比，拟议的 TCP-CSMA/CA 方案表现更好，因为它在每次退避中为每个流量类分配了一个独特的、最小化的和优先的退避期范围。
TCP-CSMA/CA方案实现的吞吐量与PLA-MAC相比为55%，与eMC-MAC相比为56%，与PG-MAC相比为61%。
图3 吞吐量与 BMSN 数量
在 PLA-MAC 中，网络的整体 PDR 为 55%。BMSN 编号 1、3、4、9 和 11 显示 PDR 低于 30%，如图4。如前所述，在 PLA-MAC 中，每个 TC 在每次退避的争用期间使用相同的退避周期范围，这会导致数据包丢弃率增加。
因此，PLA-MAC的性能在PDR方面降低了。同样，eMC-MAC在网络PDR方面表现出58%的性能。但是，BMSN 编号 1、2、3、4、5 和 7 显示 PDR 低于 30%。
但是，属于高优先级流量类的 BMSN 使用最小退避期范围。这会增加丢包率，导致 PDR 不佳，直到第五个 BMSN 时低于 30%。
属于低优先级流量类的 BMSN 总是会因为使用高退避期范围而延迟，从而减少冲突并改善其 PDR。PG-MAC在网络PDR方面表现出48%的不良性能。此外，七个BMSN的PDR低于30%。
这是由于在每个回退中针对每个流量类重复特定的退避期范围。拟议的TCP-CSMA/CA方案呈现87%的网络PDR。此外，属于不同流量类别的 BMSN 显示超过 50% 的 PDR。特别是，第五个BMSN显示95%的PDR，第八个BMSN显示96%的PDR，第11个BMSN达到92%的PDR，第14个BMSN的PDR为95。
原因是由于每个流量类在每次退避中使用的优先级、最小化和不同的退避期范围。因此，就网络PDR而言，所提出的TCP-CSMA/CA方案的性能比PLA-MAC提高了58%，比eMC-MAC提高了50%，比PG-MAC提高了81%。
图4 数据包传送比率与 BMSN 数量。
PLA-MAC显示45%的网络公共出借率，特别是第1、3、4、9和11号BMSN显示PLR超过70%，如图5。
这种高数据包丢失率是由于在所有退避中为每个流量类重复使用特定的退避期范围。同样，eMC-MAC显示整体网络PLR为42%，43%的BMSN显示PLR高于70%，如图5。特别是，代表高优先级数据包的前五个 BMSN 表现出超过 70% PLR 的糟糕性能，因为它们使用最小的退避周期范围。
此外，PG-MAC具有非常高的PLR，这是每个流量类在每次退避中重复使用特定退避周期范围的结果。从中可以明显看出图5在TCP-CSMA/CA计划中，第五个BMSN显示5%的PLR，第八个BMSN的PLR为4%，第11个BMSN的PLR为8%，第14个BMSN的PLR为5%。
此性能的原因是每个流量类在每次退避中使用的优先级、最小化和不同的退避期范围。TCP-CSMA/CA方案实现了13%的网络公共出借率。因此，TCP-CSMA/CA在网络公共出借率方面比PLA-MAC好71%，比eMC-MAC好69%，比PG-MAC好75%。
图5 数据包丢失率与 BMSN 数量。
低优先级流量会等待较长时间才能访问 CAP 中的通道，并且每个流量类在每次退避中都会重复使用特定的退避周期范围。PG-MAC也显示出高能耗，但在最后几个BMSN中会变得更好。
原因是它将特定的退避期范围分配给每个流量类，但在所有退避中保持不变。与PLA-MAC和PG-MAC相比，eMC-MAC显示出更低的能耗，但在BMSNs 13和14处，它变得高于PG-MAC。原因是在 eMC-MAC 中，非常高的退避周期范围分配给 BMSN 13 和 14，它们表示低优先级流量。
拟议的 TCP-CSMA/CA 方案降低了 BMSN 的能耗，因为它消除了争用期间每次退避中的重复;为每个流量类分配一个独特的、优先的和最小化的退避期范围。它还为BMNS分配了足够的时间来争用和传输数据。
相比之下，BMSN的能耗在拟议的TCP-CSMA/CA方案中有所降低。与PLA-MAC相比，TCP-CSMA/CA的能耗降低了70%，比eMC-MAC低59%，比PG-MAC低64%。
图6 BMSN 能耗与 BMSN 数量。
结论
当前研究的主要目标是为不同流量类别的异构BMSN提供优先信道访问，减少数据包交付延迟，数据包丢失和能耗，并提高吞吐量和PDR。
综上所述，研究表明，基于IEEE 802.15.4的时隙CSMA/CA的性能会因以下问题而下降。在争用期间，每次退避时，每个流量类的BMSN都分配了相同的退避周期范围，当每个流量类的BMSN在最近三次退避中重复使用相同的退避周期范围时，当高优先级流量类的退避周期范围在每次退避中低优先级流量类的退避周期范围内重复使用时。
当第一次退避中分配的退避期范围在下一个退避中保持不变时。通过为每个退避中的每个流量类分配一个不同且优先的退避期范围，可以解决上述所有问题。此外，分配的退避期范围也必须适度最小化，以便为每个流量类别提供均衡的传输机会。
未来，我们计划在异构BMSN的优先级信道接入方面，增强基于IEEE 802.15.6 MAC的CSMA/CA的TCP-CSMA/CA方案，以进一步提高其性能。