用于解決身體域網絡介質訪問控制協議的串音問題的技術的制作方法

專利名稱：用于解決身體域網絡介質訪問控制協議的串音問題的技術的制作方法
用于解決身體域網絡介質訪問控制協議的串音問題的技術本申請要求在2008年8月11日提交的美國臨時專利申請No. 61/087，744的權益。本發明總的涉及在身體域網絡(BAN)中利用的介質訪問控制(MAC)協議，具體地， 涉及用于解決在這樣的協議中的串音(overhearing)問題的技術。身體域網絡(BAN)主要被設計用于持久地監視和記錄生命指征。如

圖1所示的示 范性BAN包括典型地為傳感器的多個從設備120，它們可以是可佩戴的或可以被植入到人 身體中。從設備120監視生命體參數和運動，并通過無線介質互相通信。從設備120可以 把來自人體的數據傳送到一個或更多個主設備130，數據可以從這里通過局域網(LAN)、廣 域網(WAN)、蜂窩網等等實時地轉發到醫院、診所或其它地方。在設計BAN時，重要因素之一是從設備120和/或主設備130的能量效率。通過使 得接收者設備(即，接收數據的設備)在收聽狀態與睡眠狀態之間最佳化地進行工作循環， 可以達到高效率的能量消耗。當設備既不傳送也不接收數據時，設備的無線電被關斷，由此 減少設備的能量消耗。工作循環是通過介質訪問控制(MAC)協議而被執行的，目標是使得 空閑收聽和串音時間、過發射(over emitting)、數據傳送的碰撞和控制開銷最小化，這最 終導致功率節省。MAC工作循環技術包括同步和異步模式。在異步模式，發送者設備(即，在介質上傳 送數據的設備)和收聽者設備(即，收聽介質的設備)具有獨立的睡眠和喚醒時間。因此不 需要諸如信標那樣的明顯的同步機制。前同步采樣技術被廣泛地使用于異步工作循環MAC協議，諸如WiseMAC、B-MAC和 X-MAC等。WiseMAC在EI-Hoiydi 等人的 “WiseMAC:An Ultra Low Power MAC Protocol for the Downlink of Infrastructure Wireless Sensor Networks，，中進一步描述，該文發 表在the Proceedings of the Ninth IEEE Symposium on Computers and Communication, ISCC,第 M4-251 頁，Alexandria,埃及，2004 年 6 月。B-MAC 在 Polastre 等人的 "Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks", ACM SenSys,2004 年11月中被描述，以及X-MAC協議發表在Buettner等人的“X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks, ” ACM SenSys, 2006。如圖2所例示的，在前同步采樣技術中，所有的設備周期性地收聽介質達時間“IV” 的短的持續時間，且如果介質是空閑的，則返回到睡眠狀態達持續時間“Τα”。在兩個接連 的收聽時間 Υ之間的時間Ta是檢驗間隔。時間間隔Ta和IY的組合是喚醒時間間隔。當 發送者設備有數據要遞送時，它傳送喚醒(WUP)消息(前同步)210，這個喚醒消息比接收者 設備的檢驗時間間隔Ta要長。在前同步采樣技術中，WUP消息210僅僅承載前同步，而不 承載任何其它信息。當接收者設備醒來時，它偵聽介質和檢測WUP消息210。這迫使接收者 設備保持醒著，直至數據被完全接收和/或介質再次變為空閑為止。前同步采樣可以由匹配濾波器接收機完成，該匹配濾波器接收機在接收的信號中 尋找已知的前同步序列。前同步采樣獲益于已知的碼元序列的處理增益和重復，使得能進 行可靠的信號檢測。WUP消息210的長度必須比檢驗間隔Ta更長，以保證在傳送實際數據時接收者設備是醒著的。如果接收者設備的檢驗間隔Ta是非常長的，則WUP消息傳送可占用介質達持 續很長的時間，由此阻止其它設備訪問介質。前同步采樣技術的另一個缺點在于，非目標的 鄰居設備串音聽到該WUP消息210并保持為醒著直至數據傳送開始為止。結果，網絡中的 設備的功率消耗增加。為了解決串音問題，上面提及的X-MAC協議把目標設備的識別(ID)(即，目的地 址)嵌入在WUP消息中。因此，非目標相鄰設備可以根據ID確定它們不是打算之中的設備， 然后返回到睡眠狀態。這個辦法的問題在于，WUP信號包含事先不知道的數據比特(S卩，目 的地址)。所以，接收機必須解調WUP信號并譯碼信息以恢復目的地址。解調過程比起前同 步檢測技術更復雜并且消耗更多的能量。在前同步檢測技術中，接收者設備在接收的信號 中搜索已知的碼元序列。用于減小功耗的另一個技術是在設備中包括兩個分開的無線電，一個是低功率 喚醒(待機)無線電，另一個是數據通信無線電。為了喚醒接收者設備，發送者設備傳送足 夠強的信號(“WUP信號”)。WUP信號的功率高于預定義的閾值。當喚醒無線電接收到WUP 信號時，它接通它的數據通信無線電，從而使得發送者和接收者設備能夠通信。喚醒無線電 可以通過使用比起前同步檢測技術更簡單的和能量上更有效的能量檢測技術而被實施。然 而，這種能量檢測技術也遭受到串音問題，其中相鄰的非目標設備因并非被定向到它們的 WUP信號而進行接收和醒來。因此，當發送者設備傳送WUP信號時，雖然該信號是僅僅打算 給一個設備的，但有可能所有的相鄰設備同時醒來，由此浪費了能量。所以，提供用于解決在BAN MAC協議中的串音問題的解決方案是有利的。本發明的某些實施例包括一種方法，其包括生成前同步幀；將目標接收者設備 的目的地址編碼為前同步幀的長度；以及傳送該前同步幀。本發明的某些實施例還包括一種方法，其包括生成喚醒信號；將目標接收者設 備的目的地址編碼為喚醒信號的持續時間；以及傳送該喚醒信號。被認作為本發明的主題在說明書的結論處在權利要求中被具體地指出且明確地 被要求保護。從結合附圖作出的以下的詳細說明中，本發明的上述的和其它的特征和優點 將是明顯的。圖1是身體域無線網的示意圖。圖2是用于圖示前同步采樣工作循環技術的運行的圖。圖3是用于描繪按照本發明的一個實施例實現的、針對BAN MAC協議的串音問題 的方法的流程圖。圖4是用于圖示按照本發明的一個實施例實現的多級別編碼方法的圖。重要的是要指出，本發明公開的實施例僅僅是這里的創新教導的許多有利的使用 的例子。通常，在本申請的說明書中做出的敘述并不必然限制任何的各種不同的要求保護 的發明。而且，某些敘述可以應用到某些創造性特征，但不應用于其它特征。通常，除非另 外指明，否則不失一般性地，單數的單元可以是復數的，且反之亦然。在附圖上，在幾幅視圖 內同樣的數字是指同樣的部件。按照本發明的示范性實施例，將目標設備的目的地址編碼為WUP消息(即，前同步 幀)的尺寸或長度。按照幀的長度或尺寸，接收者設備不用解調整個幀就可以確定它是否 是該WUP消息的目標。不用調用解調過程，就能確定WUP消息的目的地，由此減小接收者設備的功耗。按照另一個示范性實施例，將目標設備的目的地址編碼為應當傳送WUP信號的持 續時間，使得具有喚醒無線電的設備能夠僅僅在數據被定向到它們時才接通它們的數據通 信無線電。圖3顯示用于描繪按照本發明的一個實施例實現的、針對BAN MAC協議的串音問 題的方法的非限制性和示范性的流程圖300。該方法由充當接收者設備和發送者設備的至 少兩個不同的設備執行。應意識到，這些功能由每個設備根據該設備是需要發送數據還是 需要接收數據而執行。在一個實施例中，該方法作為以上討論的利用前同步采樣技術的BAN MAC協議的組成部分被實施。在S310，發送者設備生成前同步幀(或WUP消息)。發送者設備可以接收來自更高 層(例如，應用層)的指令而生成這樣的幀。在S320，將目標接收者設備的目的地址編碼為 前同步幀的長度。在本發明的一個實施例中，前同步幀的長度被確定為如下
Frame_length(χ)=Minimum_length + χ; (1)
其中‘X，是以十進制表示的、目標接收者設備的MAC/網絡地址。Minimum_length是接 收機可以可靠地檢測的最小長度幀。Minimumjength是固定值，它是所有的設備已知的。例如，如果Minimum_length是1個單位以及目的地的MAC地址是0100 ( 二進制的 0100是十進制的4)，則Frame_length是5個單位。同樣地，MAC地址0111可被編碼為8個 單位長度的幀。按照本發明的另一個實施例，用來把大數據值轉換成小數據的散列函數被使用來 從長地址得出較短的地址。例如，被提供以64比特地址作為輸入關鍵字的散列函數可以產 生8比特輸出地址。因此，FrameJength的最大長度可以被限制。按照這個實施例，前同步幀的長度被確定為如下 Frame_length(χ)=Minimum_length + Hash1(X); (2)
其中‘X，是目標接收者設備的MAC或網絡地址，以及Hash1是散列函數。所有的設備 為這一目的使用相同的散列函數。應當指出，特殊的控制幀，諸如廣播幀，可被編碼成固定 的已知尺寸。在本發明的另一個實施例中，前同步幀可以承載幀開始定界符和幀結束定界符， 以及在這些定界符之間的時間的長度可以代表目的地址。在S330，編碼的前同步幀由發送者設備通過無線介質進行傳送。在某些實施例 中，由多個發射機在相同的信道上傳送的前同步幀在時間上可能重疊。為了減輕這個影響， 發送者設備收聽它打算占用的信道，并且僅僅在發現該信道空閑達一個隨機的持續時間時 才發起傳送。通常，BAN設備的無線電部件能夠在被劃分成邏輯信道的頻帶范圍內運行。為了 使得幀重疊的機會最小化和提高可縮放性，本發明的另一個實施例根據打算之中的接收者 的MAC或網絡地址如下地選擇用于傳送的頻率信道(Frame_TX_Channel)
Frame_TX_Channel(χ)= Hash2(X); (3)
其中‘X，是目標接收者設備的MAC或網絡地址，以及Hasti2是散列函數。例如，如果無 線電能夠在16個邏輯信道的任一個上運行以及MAC地址是64比特長，則Hasti2函數把目 標接收者的64比特的MAC地址映射到范圍從0到15的4比特邏輯信道ID。作為例子，函數 Hasti2 可以是=Hasti2 (χ) =X 模 16。在網絡中的每個設備被配置以對應于它的MAC地址的前同步幀的長度和邏輯信 道ID。在S340，接收者設備醒來，偵聽介質，并檢測被編碼的前同步幀。在一個實施例中， 當接收者醒來時，它把它的無線電調諧到通過使用例如方程式(3)而選擇的邏輯信道。在 S350，通過比較幀的長度和代表它的MAC地址的長度而確定所述幀是否打算給該接收者設 備。如果幀是特殊的控制幀，則該設備檢驗幀的長度是否對應于固定的已知長度幀。如果 S350導致“是”的回答，則在S360，接收者設備停留在活動狀態，并開始接收數據；否則，在 S370，該設備返回到睡眠狀態，不接收幀的其余部分。例如，如果設備預期接收的最長長度 幀是3ms長，則當該設備醒來并接收到具有大于3ms的長度的前同步幀時，該設備得出結 論該幀并未被尋址到該設備，然后該設備可以回到睡眠，而不等待去接收該幀的其余部 分，由此節省了功率。在本發明的一個實施例中，以上的技術也可以被應用到數據幀。數據幀的前同步 長度或尺寸可以根據以上的教導而被確定。因此，從前同步的尺寸，接收者可以確定它是否 為目標接收者。如果接收者設備得出結論它確實是目標接收者，則該設備可以開始去解調 數據幀。由于前同步采樣過程比起解調過程在能量上是更有效的，所以可以節省大量能量。按照本發明的另一個實施例，這里公開的教導可以在利用喚醒無線電技術的BAN MAC協議中被實施。按照這個實施例，WUP信號被編碼成使得信號被傳送的持續時間對應于 目標接收者設備的MAC地址。編碼函數可以按照以上的方程式(1)或(2)被定義。按照本 發明的另一個實施例，發射機可以在按照以上的方程式C3)選擇的信道上傳送WUP信號。接收者設備被配置以WUP信號的接收信道ID和接收時間，這里這二者都是基于它 的MAC地址。例如，接收時間可以通過使用方程式(1)或(2)而被確定，以及接收信道ID 可以通過使用方程式C3)而被確定。如果接收者設備在等于接收時間的持續時間內在接收 信道上偵聽到WUP信號(即，信號的功率電平大于預定義的閾值)，則該設備停留在活動狀 態，并接通它的數據通信無線電；否則，該設備返回到睡眠狀態。應意識到，這個技術可以顯 著地減小具有單獨的無線電的設備的功耗，因為當串音聽到WUP信號時設備不接通它們的 數據通信無線電。本發明的某些實施例還包括用于編碼除了目的地址以外的其它類型的信息的方 法。例如，發送者設備的源地址也可以被編碼在幀中。用來編碼多個級別的信息的編碼函 數如下
Frame_length(a, b)=Fixed—length(a) + Hash(b) (4)
其中‘a’是幀類型，以及‘b’是編碼的信息。如圖4所示，每個幀具有兩個部分。部分 A是幀類型(例如，控制幀、數據幀、WUP幀等等)的函數，以及部分B是編碼的信息的函數。 應當指出，不同幀類型的幀長度是互相不相交(disjoint)的。在接收到幀時，接收者確定 幀的長度L。例如如果L e
，則幀類型是1 ；如果L e [Q, R]，則幀類型是2 ；以及如 果Le [S，T]，則幀類型是3。另外，通過譯碼部分B的長度，所編碼的信息被恢復。參數0、 P、S、T的值是先驗已知的。本發明的原理可以以硬件、軟件、固件或它們的任意組合來實施。軟件可以被實施 為在程序存儲單元或計算機可讀介質上有形地體現的應用程序。該應用程序可以被上載到 包括任何適當的體系結構的機器并由該機器執行，所述機器例如是具有諸如一個或更多個中央處理單元(“CPU”)、隨機存取存儲器(“RAM”)和輸入/輸出(“I/O”)接口那樣的 硬件的計算機平臺。該計算機平臺還可包括操作系統和微指令代碼。這里描述的各種處理 過程和功能可以是能由CPU執行的微指令代碼的組成部分、或應用程序的組成部分、或它 們的任意組合，而不管這樣的計算機或處理器是否被明顯地顯示。還應當理解，因為在附圖 上描繪的某些作為整體的組成部分的系統部件和方法優選地以軟件實施，所以在系統部件 或處理功能塊之間的實際連接可以取決于本發明被編程的方式而不同。在給定這里的教導 后，相關領域的一個普通技術人員將能夠設想出本發明的這些和類似的實現或配置。
這里詳述的所有的例子和條件語言打算用于教學目的，以幫助讀者理解本發明的 原理和本發明人對于促進本技術所貢獻的構思，并且要被解釋為不限制于這樣的明確詳述 的例子和條件。而且，這里詳述本發明的原理、方面和實施例以及它們的特定例子的所有敘 述打算包括它們的結構的和功能的等同物。另外，這樣的等同打算包括當前已知的等同以 及在將來逐漸形成的等同，即被逐漸形成來執行相同的功能而與結構無關的任何單元。
權利要求
1.一種計算機實施的方法(300)，包括生成前同步幀(S310)；將目標接收者設備的目的地址編碼為前同步幀的長度(S320)；以及傳送該前同步幀(S330)。
2.權利要求1的方法，還包括選擇用于傳送前同步幀的頻率信道，其中該頻率信道 是根據目的地址確定的。
3.權利要求1的方法，其中編碼目的地址還包括把能由接收者設備可靠地檢測的最 小長度幀與目的地址的十進制值相加。
4.權利要求1的方法，其中編碼目的地址還包括把能由接收者設備可靠地檢測的最 小長度幀與由散列函數計算出的值相加，其中目的地址是散列函數的輸入關鍵字。
5.權利要求2的方法，其中選擇頻率信道還包括應用散列函數以便把目的地址映射 到邏輯信道的識別(ID)號。
6.權利要求1的方法，其中目的地址至少是在身體域網絡(BAN)中利用的介質訪問控 制(MAC)地址。
7.權利要求1的方法，還包括將多個級別的信息編碼為前同步幀的長度。
8.權利要求7的方法，其中編碼的前同步幀包括多個部分，每個部分的長度被編碼以 便代表特定類型的信息。
9.一種計算機實施的方法，包括生成喚醒信號；將目標接收者設備的目的地址編碼為喚醒信號的持續時間；以及傳送該喚醒信號。
10.權利要求9的方法，還包括選擇用于傳送喚醒信號的頻率信道，其中頻率信道是 根據目的地址確定的。
11.權利要求9的方法，其中編碼目的地址還包括對能由接收者設備可靠地檢測的 喚醒信號的最小持續時間與目的地址的十進制值求和。
12.權利要求9的方法，其中編碼目的地址還包括對能由接收者設備可靠地檢測的 喚醒信號的最小持續時間與由散列函數計算出的值求和，其中目的地址是散列函數的輸入 關鍵字。
13.權利要求9的方法，其中目的地址至少是在至少身體域網絡(BAN)中利用的介質 訪問控制(MAC)地址。
14.權利要求9的方法，還包括將多個級別的信息編碼為喚醒信號的持續時間。
15.權利要求14的方法，其中編碼的喚醒信號包括多個部分，每個部分的長度被編碼 以便代表特定類型的信息。
全文摘要
一種針對身體域網絡(BAN)介質訪問控制協議的串音問題的方法。該方法包括生成前同步幀(S310);將目標接收者設備的目的地址編碼為前同步幀的長度(S320)；以及傳送該前同步幀(S330)。
文檔編號H04L29/12GK102119520SQ200980131235
公開日2011年7月6日 申請日期2009年8月7日 優先權日2008年8月11日
發明者C·M·科戴羅, M·D·帕特爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司