无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法。无线医疗网络采用星型拓扑结构，由一个中心基站和Nd个提供不同类型服务的终端设备组成。实现步骤为：1)根据网络中终端设备所提供服务类型的不同将所有终端设备分为三类；2)根据三类终端设备的比例对总信道资源进行划分，用于不同类型终端设备的接入；其中提供周期接入服务的终端设备采用基于“TDMA+FDMA”的方案进行接入，传输信道与传输时隙由基站统一分配；提供随机接入服务的终端设备采用ACB机制进行接入；3)当随机接入组出现拥塞时，通过动态调整后续时隙的信道分配比例加速拥塞恢复。仿真结果表明，大规模接入条件下，该方法能提供更高的信道利用率和极低的掉包率。

【技术实现步骤摘要】

：本专利技术属于M2M通信
，具体涉及一种无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法。
技术介绍
：近年来，智能移动设备领域取得了飞速发展，出现了大量兼具的体征检测与无线通信功能的低成本移动设备，极大地推动了移动医疗与电子医疗等相关领域的蓬勃发展。在大型医疗场所，大量携带智能移动设备的人群和广泛分布的在医疗场所内的传感器设备将产生海量业务数据需要进行无线传输。同时，大型医疗场所又往往具有以下特征：大量共存的无线传输链路、恶劣的多径传播环境、复杂的系统间同频干扰等等。为保证在该场景大量无线业务数据的高效可靠传输，需要克服以下不同于以往的挑战：1)无线医疗网络下的终端设备的往往只需提供低速率小数据量的服务。同时，由于网络中终端设备众多，因此往往存在大量数据同时传输的情况。然而，传统的主流无线通信系统，如LTE-A、802.11x等则主要面向有限并发传输条件下的高速数据传输服务。这使得传统的无线通信技术难以被直接应用到该场景之下。2)无线医疗网络中业务类型的多样化进一步加大了MAC层接入控制机制的设计难度。典型无线医疗网络中往往同时存在周期性业务与随机性业务。支持周期业务的终端设备往往按照固定的时间间隔产生待传输业务数据包；而支持随机业务的终端设备的业务数据包产生时间间隔往往服从特定的概率分布。这使得传统针对单一业务模型的方案不再适用于当前场景。鉴于上述问题的存在，超窄带调制技术被引入到
无线医疗网络中以满足该场景所提出的全新需求。由于超窄带调制技术所需传输信道带宽极窄，因此在信道资源有限的条件下可以得到更多无线传输信道，这也为接入控制方案的设计提供了更多的可能性。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于针对大规模无线医疗网络这一全新应用场景，提供了一种无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的：无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法，无线医疗网络在物理层采用UNB调制技术使得在有限频谱资源条件下获得更多的接入信道资源，包括以下步骤：1)根据无线医疗网络中终端设备所提供的服务类型将所有终端设备分为三类：提供短周期接入服务的终端设备、提供长周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备；2)根据无线医疗网络中提供周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备的比例将总信道资源划分为两部分，分别用于这两类终端设备的接入控制；对于提供周期接入服务的终端设备，基站采用基于“TDMA+FDMA”的方案进行接入控制，同时，根据网络中各终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期统一地为所有终端设备分配传输信道与传输时隙；对于提供随机接入服务的终端设备，基站采用ACB机制进行接入控制；3)当提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞率超过设定碰撞率门限rgate时，通过动态调整后续时隙信道分配比例加速该终端设备组完成拥塞恢复。本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中提供短周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期小于1分钟的设备；提供长周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期在1分钟至10分钟之间的设备；提供随机接入服务的终端设备被定义为数据包到达时间间隔服从特定随机分布的设备。本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，对提供周期接入服务的终端设备的传输信道与传输时隙分配的具体步骤为：记提供短周期接入服务的终端设备数为Nps，提供长周期接入服务的终端设备数为Npl，假设这些终端设备的业务周期取值分别来自于离散数值的集合，且记提供短周期服务的终端设备的周期取值来自于集合Cs，提供长周期接入服务的终端设备的周期取值来自于集合Cl，其中，集合Cs中的元素个数记为Ms，集合Cl中的元素个数记为Ml，具体步骤如下：301)记集合Cs和集合Cl中元素的总数为M，对每一个元素值pi,i＝1,2,...,M，统计数据包到达周期等于该值的终端设备数，记为ni；302)对每一个周期值pi，分配给具有相应数据包到达周期的终端设备的信道数为记为ci；303)对每一个接入周期等于pi的终端设备，如果在所有分配的ci条信道上存在传输时隙使得该终端设备接入时延为0，即设备数据包到达时隙恰好为该设备所分配到的传输时隙，则将该时隙分配跟当前设备，且此后该信道上每隔pi个时隙的传输时隙有用于该设备进行数据传输；304)如果在所分配到的ci条信道上不存在303)中所描述的时隙，在现存所有空闲时隙中通过遍历搜索的方式找出使该设备传输时延最小的时隙分配给当前设备；305)重复步骤302)至304)，直到网络中所有提供周期接入服务的终端设
备的传输时隙分配都结束为止。本专利技术进一步的改进在于，步骤3)中当数据包碰撞率超过设定门限时，动态调整后续时隙信道分配比例的具体步骤为：401)若当前时隙网络中提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞概率大于设定门限rgate，则从分配给提供短周期接入服务的终端设备的信道中随机选择Ncontral个信道在下一时隙用于随机接入；402)设置时隙计时器用于对启动信道动态调整机制的时隙进行计数；403)若在下一时隙，网络中的数据包碰撞率已连续Nstable个时隙维持在正常碰撞率数值rnormal附近或计时器计数达到最大值，则结束信道动态调整；否则，在下一时隙再从分配给提供短周期接入服务的终端设备的信道中随机选择额外的Ncontrol个信道用于随机接入以加速无线医疗网络从网络拥塞中恢复。与传统接入控制方法相比，本专利技术具有以下有益效果：1、相比于传统接入控制方法只考虑单一类型业务模型的做法，本专利技术考虑了差异化业务模型，即周期接入业务模型与随机接入业务模型，共存条件下的接入控制方案设计，并且可通过实际网络中不同类型终端设备比例的不同调整信道分配比例，更加符合实际应用场景需求。2、对于提供周期接入服务的终端设备，采用基于“TDMA+FDMA”的接入控制方案。同时，根据无线医疗网络中所有提供周期接入服务的终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期由基站统一进行传输信道与传输时隙的分配。这使得在大规模设备接入条件下，所提方法具有更高的信道利用效率和更低的数据包掉包率。3、对于提供随机接入服务的终端设备，当在某一时隙由于出现大量突发数
据传输请求时导致严重网络拥塞时，通过在接下来的时隙中动态调整信道分配比例，提供一定的网络拥塞恢复能力。综上所述，相对于传统针对单一业务模型的接入控制方法，本专利技术可以有效提高大规模设备接入场景下的信道利用率，降低数据包掉包率；同时提供一定的网络拥塞恢复能力。附图说明：图1为系统模型示意图；图2为信道利用率与网络中总终端设备数关系的曲线图；图3为平均传输延迟与网络中总终端设备数关系的曲线图；图4为不同设备平均传输延迟与网络中总设备数关系的曲线图；图5为平均掉包率与网络中总终端设备数关系的曲线图；图6为拥塞恢复过程中数据包碰撞率变化曲线图；图7为不同数据包碰撞率条件下提供短周期接入服务的终端设备由于拥塞恢复机制所造成的平均掉包率示意图。具体实施方式：下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：本专利技术所采用系统模型如图1所示。在本专利技术中，考虑应用于大型医疗场所的无线医疗网络。该网络采用星型拓扑结构，由一个中心基站和Nd个提供不本文档来自技高网...

【技术保护点】
无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法，其特征在于，无线医疗网络在物理层采用UNB调制技术使得在有限频谱资源条件下获得更多的接入信道资源，包括以下步骤：1)根据无线医疗网络中终端设备所提供的服务类型将所有终端设备分为三类：提供短周期接入服务的终端设备、提供长周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备；2)根据无线医疗网络中提供周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备的比例将总信道资源划分为两部分，分别用于这两类终端设备的接入控制；对于提供周期接入服务的终端设备，基站采用基于“TDMA+FDMA”的方案进行接入控制，同时，根据网络中各终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期统一地为所有终端设备分配传输信道与传输时隙；对于提供随机接入服务的终端设备，基站采用ACB机制进行接入控制；3)当提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞率超过设定碰撞率门限rgate时，通过动态调整后续时隙信道分配比例加速该终端设备组完成拥塞恢复。

【技术特征摘要】
1.无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法，其特征在于，无线医疗网络在物理层采用UNB调制技术使得在有限频谱资源条件下获得更多的接入信道资源，包括以下步骤：1)根据无线医疗网络中终端设备所提供的服务类型将所有终端设备分为三类：提供短周期接入服务的终端设备、提供长周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备；2)根据无线医疗网络中提供周期接入服务的终端设备和提供随机接入服务的终端设备的比例将总信道资源划分为两部分，分别用于这两类终端设备的接入控制；对于提供周期接入服务的终端设备，基站采用基于“TDMA+FDMA”的方案进行接入控制，同时，根据网络中各终端设备的数据包到达时间与数据包到达周期统一地为所有终端设备分配传输信道与传输时隙；对于提供随机接入服务的终端设备，基站采用ACB机制进行接入控制；3)当提供随机接入服务的终端设备组的数据包碰撞率超过设定碰撞率门限rgate时，通过动态调整后续时隙信道分配比例加速该终端设备组完成拥塞恢复。2.根据权利要求1所述的无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法，其特征在于，步骤1)中提供短周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期小于1分钟的设备；提供长周期接入服务的终端设备被定义为数据包到达周期在1分钟至10分钟之间的设备；提供随机接入服务的终端设备被定义为数据包到达时间间隔服从特定随机分布的设备。3.根据权利要求2所述的无线医疗网络中面向差异化业务共存场景的接入控制方法，其特征在于，步骤2)中，对提供周期接入服务的终端设备的传输信道与传输时隙分配的具体步骤为：记提供短周期接入服务的终端设备数为Nps，提供长周期接入服务的终端设备数为Npl，假设这些终端设备的业务周期取值分别来自于离散数值的集合，且记提供短周期服务的终端设备的周期取值来自于集合Cs，提供长周期接入服务的终端设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜清河，赵卫东，任品毅，孙黎，王熠晨，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61