醫(yī)療體域網(wǎng)研究進(jìn)展

【作 者】張春青，鄒衛(wèi)霞，李斌 ，劉月桂

1 中國(guó)食品藥品檢定研究院，北京，100050

2 國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)管理中心，北京，100050

3 北京郵電大學(xué)，北京，1000876

0 引言

當(dāng)今世界老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，如何實(shí)時(shí)有效地監(jiān)測(cè)老齡群體的身體狀況，成為全球普遍關(guān)注的問(wèn)題。無(wú)線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN）的提出則有望緩解這一難題[1]。WBAN工作區(qū)域集中于人體附近，其覆蓋范圍小于無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)，其最大通信距離約2 m。WBAN的最初應(yīng)用主要在醫(yī)療保健領(lǐng)域，尤其是用來(lái)連續(xù)監(jiān)視和記錄慢性病(如糖尿病、哮喘病和心臟病等)患者的健康參數(shù)，提供某種方式的自動(dòng)療法控制。目前來(lái)看，WBAN仍處在早期發(fā)展階段，在低功耗、網(wǎng)絡(luò)間互操作性、系統(tǒng)設(shè)備、數(shù)據(jù)安全性、傳感器實(shí)現(xiàn)等方面面臨一系列挑戰(zhàn)[1]。為了使WBAN應(yīng)用于醫(yī)療保健領(lǐng)域長(zhǎng)期監(jiān)視和記錄人體健康信號(hào)成為可能，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)與提供商、醫(yī)院及工業(yè)界正在展開(kāi)戰(zhàn)略性合作。為了建立全球統(tǒng)一的WBAN標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.15專(zhuān)門(mén)設(shè)立BAN標(biāo)準(zhǔn)組SG-BAN和第6任務(wù)組TG6，討論議題包括WBAN常用模型、標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題及候選技術(shù)等[2]。中國(guó)醫(yī)療體域網(wǎng)(Medical Body Area Network, MBAN)研究組也于2011年8月正式成立，預(yù)計(jì)2012年3月將轉(zhuǎn)為工作組，全面負(fù)責(zé)中國(guó)MBAN標(biāo)準(zhǔn)的討論與制定工作。有關(guān)WBAN的研究正在全世界范圍內(nèi)迅速展開(kāi)。

1 WBAN分類(lèi)

根據(jù)WBAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的攜帶方式，進(jìn)一步將WBAN分為可穿戴式BAN(wearable BAN)與植入式BAN(implantable BAN)兩種。從傳輸角度看，WBAN致力于提供高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音以及圖像傳輸；從功能角度分析，WBAN主要分為下面三類(lèi)。

(1)WBAN為自動(dòng)化醫(yī)療、自助護(hù)療及人體重要生理參數(shù)的測(cè)量提供輔助[1-2]。首先，利用附著于人體身上的諸多傳感器采集不同生理特征的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至決策單元；然后，基于上述信息，決策單元指定相應(yīng)醫(yī)療措施；最后，決策單元通過(guò)傳達(dá)指令給執(zhí)行單元，使其采取相應(yīng)的醫(yī)療措施，例如調(diào)整心臟起搏器的工作頻率，注射胰島素以平衡血糖濃度。因此，WBAN主要功能在于利用傳感器節(jié)點(diǎn)收集并發(fā)送采集數(shù)據(jù)。典型的生理參數(shù)及指標(biāo)主要包括：心跳、血壓、心電圖、腦電圖、體溫以及血糖濃度。

(2) WBAN可用于輔助殘疾患者。例如，對(duì)于視力障礙的患者，可在墨鏡或拐杖上安裝圖像采集設(shè)備，而采集獲得的圖像信息可利用WBAN發(fā)送至便攜式的主信號(hào)處理器，由它解析這些圖像信息，從而為患者提供目標(biāo)地找尋、行進(jìn)引導(dǎo)等。在更為精細(xì)的應(yīng)用場(chǎng)景中，WBAN將采集到的有關(guān)手指相對(duì)變化的信息發(fā)送至主處理單元，進(jìn)一步解釋成相應(yīng)的語(yǔ)音信號(hào)，將有望用于有語(yǔ)言障礙的患者。

(3)工業(yè)及制造業(yè)也可利用WBAN規(guī)范一線工人工序流程，保證安全有序的生產(chǎn)。

2 WBAN研究現(xiàn)狀

與其它短距無(wú)線通信技術(shù)相比，紫峰(Zigbee)、藍(lán)牙(Bluetooth)及超寬帶(Ultra Wideband，UWB)成為WBAN主要候選技術(shù)。由于Zigbee和Bluetooth與無(wú)線局域網(wǎng)IEEE.802.11a處于相同工作頻段(2.4 GHz)，且藍(lán)牙系統(tǒng)能同時(shí)容納的輔節(jié)點(diǎn)數(shù)量有限，因而這兩種技術(shù)應(yīng)用前景不樂(lè)觀[3]。相比之下，UWB具有超低功耗傳輸特性(＜-41.3dBm/MHz)和高速數(shù)據(jù)傳輸潛力(480 Mbps)，成WBAN候選技術(shù)中的研究熱點(diǎn)，包括一些業(yè)已實(shí)現(xiàn)的WBAN設(shè)備原型，均采用UWB技術(shù)[3-5]。

鑒于WBAN的特殊工作場(chǎng)景(人體及周?chē)浇?，超低輻射功率成為WBAN的最基本要求，因?yàn)閃BAN不能對(duì)人體產(chǎn)生強(qiáng)電磁輻射，亦不能干擾其余無(wú)線通信系統(tǒng)，例如人體周?chē)臒o(wú)線局域網(wǎng)。要求WBAN傳輸技術(shù)具足夠高可靠性。由于WBAN絕大部分應(yīng)用熱點(diǎn)集中于醫(yī)療保健領(lǐng)域，而用于醫(yī)學(xué)診療及監(jiān)護(hù)的相關(guān)數(shù)據(jù)事關(guān)人的生命與健康，其重要性不言而喻，微小傳輸錯(cuò)誤即可導(dǎo)致難以估量的嚴(yán)重后果。WBAN數(shù)據(jù)傳輸亦要求實(shí)時(shí)性，即要求采集信號(hào)具有很小的傳輸時(shí)延。盡管某些場(chǎng)景下有關(guān)病人的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)允許一定時(shí)延，但通常不能超過(guò)一定范圍，否則后果也將非常嚴(yán)重。最后，考慮人體移動(dòng)性和系統(tǒng)實(shí)用性，諸如低成本、高安全、大規(guī)模、低功耗和小體積，也是WBAN設(shè)備的必備條件[1]。從當(dāng)前研究來(lái)看，有關(guān)WBAN研究主要集中于以下幾個(gè)方面。

2.1 體域網(wǎng)信道建模

WBAN信道傳輸特性和天線設(shè)計(jì)，目前集中于如何針對(duì)人體環(huán)境下，研究UWB頻譜范圍內(nèi)電波傳播特性(Propagation Characteristics)，以及優(yōu)化接收機(jī)的結(jié)構(gòu)和天線模式/結(jié)構(gòu)。在1.5 GHz～8 GHz頻譜范圍內(nèi)，需要考慮電磁波的直接傳輸、表面波、反射和衍射，因而對(duì)于WBAN傳播特性測(cè)量與信道建模成為相當(dāng)困難的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]在人體環(huán)境下，對(duì)WBAN不同工作頻段，利用網(wǎng)絡(luò)矢量分析儀進(jìn)行了信道測(cè)試。WBAN信道顯著區(qū)別于傳統(tǒng)無(wú)線信道，它包括室內(nèi)環(huán)境下多徑密集的UWB信道，因而呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的傳播特性。這主要?dú)w因于人體周?chē)厥猸h(huán)境：除了沿著人體方向傳播以外，還包括人體周?chē)睦@射及附近空間的反射[7]；對(duì)于高頻段信號(hào)，沿人體方向傳播的路徑可基本忽略，因而WBAN傳播中主要包括人體繞射和環(huán)境反射兩部分。

在室內(nèi)環(huán)境下，身體各部分的傳輸路徑損耗也不盡相同。① 從大尺度路徑損耗的角度將人體分為三類(lèi)子信道[7]，分別對(duì)應(yīng)于前身、側(cè)身和后背；② 從功率時(shí)延剖面分析來(lái)看，WBAN多徑信道呈現(xiàn)分簇特性，多徑信道基本包含兩簇[8]，第一簇對(duì)應(yīng)于經(jīng)繞射后抵達(dá)的傳播信號(hào)，第二簇則主要對(duì)應(yīng)于周?chē)h(huán)境反射信號(hào)，但第二簇衰減速率超過(guò)第一簇[6]。③ 從到達(dá)時(shí)間特性分析，文獻(xiàn)[7]從累計(jì)密度函數(shù)的角度分析，獲得Weibull分布能更好地符合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。④ 從小尺度衰落分析，文獻(xiàn)[9]利用Akaike準(zhǔn)則從兩個(gè)概率密度函數(shù)匹配的角度得出，對(duì)數(shù)正態(tài)分布能最佳體現(xiàn)WBAN小尺度傳播特性。除此之外，文獻(xiàn)[10]和[11]根據(jù)人體特征建立了RC電路模型，用以描述人體近場(chǎng)特性；文獻(xiàn)[9]則淡化子信道的特性，提出了一種簡(jiǎn)化WBAN信道模型；文獻(xiàn)[12]研究了Multipleinput Multiple-output (MTMO)信道；文獻(xiàn)[13]綜合研究WBAN天線和傳播信道的物理特性，借以提高物理層傳輸?shù)男阅堋?/p>

為了衡量各種關(guān)鍵算法的有效性，真實(shí)模擬WBAN信道顯得至關(guān)重要。但目前尚未形成有關(guān)WBAN信道的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，大量文獻(xiàn)針對(duì)特定頻段和特殊場(chǎng)景進(jìn)行的實(shí)測(cè)報(bào)告也存在差別。人體近場(chǎng)信道相對(duì)普通的無(wú)線信道要復(fù)雜得多，需考慮電磁波直接傳輸、表面波、反射和衍射等問(wèn)題。同時(shí)，在不同測(cè)試場(chǎng)景下信道功率時(shí)延和路徑損耗不盡相同，給研究理論仿真帶來(lái)挑戰(zhàn)。在拓?fù)浞謪^(qū)的技術(shù)上，研究將對(duì)人體近場(chǎng)復(fù)雜的WBAN信道進(jìn)行簡(jiǎn)化，獲得一個(gè)簡(jiǎn)化分析仿真，但又能體現(xiàn)WBAN傳播特性的信道模型，可利用傳統(tǒng)抽頭延時(shí)線簡(jiǎn)單加以實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，其中{vi}表示服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落因子；指數(shù)加權(quán)項(xiàng)代表均勻分布的相位特征；{vi}則代表服從分段指數(shù)衰減的多徑增益；PL(d)為大尺度路徑損耗。相應(yīng)地，簡(jiǎn)化信道模型信道沖擊響應(yīng)如圖2所示，可見(jiàn)簡(jiǎn)化的WBAN模型能充分體現(xiàn)人體近場(chǎng)的傳播特性。

圖1 WBAN信道模型Fig.1 Channel model of WBAN

圖2 簡(jiǎn)化的WBAN信道沖激響應(yīng)Fig.2 Simpli fi ed channel impulse response of WBAN

2.2 體域網(wǎng)傳輸技術(shù)

有關(guān)WBAN傳輸機(jī)制的研究，包括功率控制、協(xié)作中繼以及MIMO等。文獻(xiàn)[6]針對(duì)人體坐立姿勢(shì)下WBAN信道進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上提出協(xié)作WBAN(Cooperative BAN, CoBAN)策略。通過(guò)分析單跳協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立多徑分量，指出采用簡(jiǎn)單的協(xié)作機(jī)制可有效增加分集維數(shù)，從而提高WBAN的信道傳輸性能。文獻(xiàn)[14]提出一種適用于WBAN的功率控制機(jī)制，借助于實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)主處理器發(fā)送反饋信息給WBAN傳感節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用簡(jiǎn)單的功率控制機(jī)制可節(jié)省功率達(dá)14%-30%。文獻(xiàn)[12]研究了頻率-空間-極化對(duì)于WBAN中MIMO的影響，與常見(jiàn)多天線系統(tǒng)顯著不同之處在于，增大多天線之間的物理距離并不能保證系統(tǒng)容量提升。文獻(xiàn)[15]則研究了WBAN中RAKE接收機(jī)在單跳和多跳下的傳輸性能。文獻(xiàn)[16]則采用載波偵聽(tīng)多址接入方式Carrier Sense Multiple Accessc(CSMA)，以WBAN中兩跳網(wǎng)絡(luò)為例，對(duì)其系統(tǒng)性能進(jìn)行了研究?；贑SMA的載波監(jiān)聽(tīng)多址接入機(jī)制存在較大的傳輸時(shí)延，在實(shí)時(shí)健康檢測(cè)場(chǎng)景下顯然難以滿足要求。

MIMO技術(shù)的引入，有可能降低WBAN信道對(duì)于傳輸性能的影響。但在前身-后身傳輸場(chǎng)景下，多個(gè)天線間的空間距離同時(shí)影響接收信號(hào)的功率平衡性與獨(dú)立性，簡(jiǎn)單采用MIMO技術(shù)難以有效改善WBAN系統(tǒng)性能[12]。同時(shí)從硬件復(fù)雜度與制造成本來(lái)看，WBAN傳感節(jié)點(diǎn)采用MIMO亦難以接受。

2.3 體域網(wǎng)多址技術(shù)

如何利用有限的資源(例如無(wú)線頻帶和時(shí)間)提供WBAN網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)用戶同時(shí)接入，即提供良好的多址性能，也是體域網(wǎng)研究中面臨的重要問(wèn)題。當(dāng)前主流WBAN技術(shù)均采用星型網(wǎng)絡(luò)，諸多WBAN傳感節(jié)點(diǎn)要與主節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行通信。若多個(gè)WBAN節(jié)點(diǎn)同時(shí)與便攜式處理器通信時(shí)，則存在多用戶干擾問(wèn)題。文獻(xiàn)[17]從計(jì)算機(jī)仿真的角度，研究了WBAN中多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)同時(shí)與主處理器進(jìn)行通信時(shí)的多用戶干擾問(wèn)題。研究顯示，當(dāng)干擾節(jié)點(diǎn)大于5時(shí)，系統(tǒng)性能將受到很大影響。文獻(xiàn)[18]對(duì)采用多用戶檢測(cè)技術(shù)的WBAN網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了研究，表明在多用戶情況下，多用戶檢測(cè)性能要明顯優(yōu)于Rake接收性能。然而，由于該算法需依據(jù)訓(xùn)練序列，并引入了反饋機(jī)制，使實(shí)現(xiàn)算法復(fù)雜度大大增加。因此，如何有效消除WBAN多用戶干擾問(wèn)題，有待進(jìn)一步深入研究。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣嵌瓤?，?dāng)前主流WBAN技術(shù)均采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即各WBAN傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳方式與主控制器進(jìn)行直接通信。這種星形網(wǎng)絡(luò)不可避免地存在從前身-后身傳播路徑，此時(shí)由于復(fù)雜的傳播機(jī)理(例如人體繞射與周?chē)h(huán)境反射)與極強(qiáng)的傳播損耗，這種前身-后身的信道成為限制WBAN網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[6]引入簡(jiǎn)單協(xié)作以緩解WBAN信道的影響，一定程度上改善了WBAN傳輸性能，但這種簡(jiǎn)單的中繼機(jī)制并未充分利用人體特征優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，前?后身傳播性能仍有待提高。

3 研究展望

通過(guò)對(duì)研究現(xiàn)狀分析可知，目前無(wú)線體域網(wǎng)中首先需建立一個(gè)高效優(yōu)化調(diào)度機(jī)制。將WBAN網(wǎng)絡(luò)中主控制器負(fù)責(zé)其余WBAN傳感節(jié)點(diǎn)的調(diào)度問(wèn)題，類(lèi)比為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中中央處理器的任務(wù)調(diào)度模式?；趦?yōu)先級(jí)輪詢(xún)的調(diào)度方式，可望解決現(xiàn)有的WBAN調(diào)度算法存在的諸多問(wèn)題。此方式能減少整體時(shí)延，且利用優(yōu)先中斷機(jī)制也可保證重要生理數(shù)據(jù)的即時(shí)傳送。另外，針對(duì)MIMO技術(shù)用于WBAN時(shí)潛在的諸多問(wèn)題，基于協(xié)作中繼模型建立虛擬MIMO機(jī)制，有望解決MIMO中多根天線間空間相關(guān)性與功率均衡性的固有矛盾，獲得理想的分集增益。并在此基礎(chǔ)上，提出空間分集，利用波束賦形所提供的空間指向性，來(lái)提高WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

[1] Huanbang Li et.al. Body Area Network and Its Standardization at IEEE 802. 15. MBAN[C]. Mobile and Wireless Communications Summit, 2007. 16th IST. 2007, July: 1-5.

[2] Huanbang Li, Kohno R. Introduction of SG-BAN in IEEE 802.15 With Related Discussion[C]. IEEE International Conference on Ultra-Wideband, 2007 (ICUWB). Sept. 2007: 134-139.

[3] Simic D, et.al. Impulse UWB Radio System Architecture for Body Area Networks[C]. Mobile and Wireless Communications Summit,2007. 16th IST. July, 2007: 1-5.

[4] Watanabe K, et.al. Experiments on Shadow Effects of Body and Effective Paths for UWB Transmission in BAN[C]. International Symposium on Communications and Information Technologies(ISCIT) 2008. Oct. 2008: 232 – 237.

[5] Monton E., et. al. Body area network for wireless patient monitoring[J]. IET Communications, 2008, 2(Feb): 215-222.

[6]Y. Chen, J. Teo, J. C. Y. Lai, E. Gunawan, K. S. Low, C. B. Soh, P. B.Rapajic, Cooperative Communications in Ultra-Wideband Wireless Body Area Networks: Channel Modeling and System Diversity Analysis[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009, 27(1): 5-16.

[7] Fort A, Ryckaert J, Desset C, et al. Ultra-wideband channel model for communication around the human body[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2006, 24(1): 927-933.

[8] Molisch A. F., Ultrawideband propagation channels-theory,measurement, and modeling[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2005, 54(Sep): 1528-1545.

[9] Thomas Zasowski, Armin Wittneben. Performance of UWB receivers with partial csi using a simple body area network channel model[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009, 27(1): 17-26.

[10] Cho N, Yoo J, Song S. J, et al. The human body characteristics as a signal transmission medium for intrabody communication[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2007,55(May): 1080-1086.

[11] HoiJun Yoo, Namjun Cho. Body channel communication for low energy BSN/BAN[C]. IEEE Asia Pacific Conference on Circuits and Systems ( APCCAS) 2008. 2008:7-11.

[12] WeiJu Chang, Jennhwan Tarng, SzuYun Peng. Frequency-Space-Polarization on UWB MIMO Performance for Body Area Network Applications[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2008, 7: 577-580.

[13] G. A. Conway, S. L. Cotton, W. G. Scanlon. An antennas and propagation approach to improving physical layer performance in wireless body area networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2009, 27(1): 27-36.

[14] Shuo Xiao, Ashay Dhamdhere, Vijay Sivaraman, et al, Transmission power control in body area sensor networks for healthcare monitoring[J]IEEE Journal on Selected Areas in Communications,2009, 27(1): 37-48.

[15] Zasowski T, Althaus F, Stager M, et al. UWB for noninvasive wireless body area networks: channel measurements and results[C]. 2003 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies, 16-19 Nov. 2003: 285 – 289.

[16] Misic J., Misic V. Bridging between ieee 802.15.4 and IEEE 802.11b networks for multiparameter healthcare sensing[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2009, 27(May):435-449.

[17] Domenicali D., Di Benedetto M. G. Performance analysis for a body area network composed of IEEE 802.15.4a devices[C]. 4th Workshop on Positioning, Navigation and Communication (WPNC)'07. March 2007: 273 – 276.

[18] Puduru Viswanadha Reddy, Viswanath Ganapathy. Performance of Multi-User Detector based receivers for UWB Body Area Networks[C]. 10th IEEE Intl. conf. on e-Health Networking,Applications and Service, 2008