無線體域網(wǎng)資源分配研究

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

無線體域網(wǎng)資源分配研究

張莉

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

無線體域網(wǎng)旨在提供實時的、無處不在的人體監(jiān)測來執(zhí)行獨立的早期預(yù)測、診斷和身體跟蹤響應(yīng)的護理，并日漸成為研究和應(yīng)用的熱點。隨著WBAN在人類日常生活中的重要性日趨突出，專用于無線體域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6于2012年頒布。本文主要針對多個體域網(wǎng)網(wǎng)間和單個體域網(wǎng)內(nèi)部的資源分配進行研究，考慮WBAN的異質(zhì)性以及傳感器節(jié)點的異質(zhì)性，同時對體域網(wǎng)資源分配的研究現(xiàn)狀和不足進行分析和總結(jié)。最后，分析了無線體域網(wǎng)資源分配需要解決的問題和未來研究的方向。

無線體域網(wǎng)；網(wǎng)間資源分配；網(wǎng)內(nèi)資源分配

目前無線體域網(wǎng)（WBAN，Wireless Body Area Network）傾向于是無線個域網(wǎng)的延伸，在近距離無線通信領(lǐng)域，雖然存在無線個域網(wǎng)技術(shù)，但體域網(wǎng)這一概念將近距離無線通信的傳輸距離規(guī)定得更短，從而限定在人體周圍。WBAN就是以人體為中心，由分布在人身體上、衣物上、甚至人身體內(nèi)部的各個節(jié)點和個人終端等組成的通信網(wǎng)絡(luò)。通過WBAN，人可以和其身上攜帶的個人電子設(shè)備如個人數(shù)字助理、手機等進行通信，數(shù)據(jù)同步等，也可以在多個WBAN之間實現(xiàn)信息的交互。

無線體域網(wǎng)雖然是無線通信技術(shù)的進一步發(fā)展和延伸，但是由于無線體域網(wǎng)中的很多設(shè)備主要在人體周圍或者體表甚至體內(nèi)工作，所以無線體域網(wǎng)較傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ad-hoc網(wǎng)絡(luò)有很多獨特的特點：無線體域網(wǎng)的傳輸范圍??；無線體域網(wǎng)傳輸技術(shù)對人體的傷害必須小；無線體域網(wǎng)中節(jié)點的異質(zhì)性；無線體域網(wǎng)用戶的異質(zhì)性；無線體域網(wǎng)中的各個節(jié)點的生命周期長；無線體域網(wǎng)需要具有移動性；無線體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)的安全性；無線體域網(wǎng)的節(jié)點體積要小。

無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，使可用的有限無線頻譜資源十分珍貴。而無線體域網(wǎng)由于其自身的特點和要求，對無線頻譜資源的要求更為苛刻，必須實現(xiàn)能夠充分利用所分配的頻譜資源的同時也要保證對人體健康沒有傷害，故WBAN所能使用的頻譜資源是相當(dāng)有限的。也就使得已有的應(yīng)用于其它無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法并不能直接適用于無線體域網(wǎng)，因此必須尋找新的滿足無線體域網(wǎng)特征和需求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和算法。

鑒于WBAN共享頻譜資源，于是當(dāng)多個WBAN物理上相距較近時，若每個WBAN各自獨立地使用頻譜資源進行信息傳輸，必然導(dǎo)致WBAN之間的干擾。如果此情形下能夠?qū)⒍鄠€WBAN組織起來，協(xié)調(diào)資源，自然能夠有效消除它們之間的干擾。本文試圖從無線體域網(wǎng)網(wǎng)間資源分配和網(wǎng)內(nèi)資源分配兩個方面，闡述現(xiàn)有的研究如何實現(xiàn)網(wǎng)間干擾消除，網(wǎng)內(nèi)資源分配，并對這些方法進行簡要的闡述總結(jié)，最后指出網(wǎng)間資源和網(wǎng)內(nèi)資源分配的新思路。

1 無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

為了協(xié)調(diào)不同國家和地區(qū)的研究機構(gòu)和企業(yè)在WBAN研究中存在的不可避免的差異性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE一直積極推動WBAN和其相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。IEEE802.15.4工作組自1998年3月成立以來，主要致力于無線個域網(wǎng)絡(luò)（WPAN，Wireless Personal Area Network）物理層和媒體接入控制層的標(biāo)準(zhǔn)化。由于WBAN被認(rèn)為是WPAN的擴展和延伸，因此，IEEE把WBAN的標(biāo)準(zhǔn)化工作納入IEEE802.15工作組。2003年10月，IEEE802.15工作組推出了用于低速無線個域網(wǎng)的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。2007年11月，IEEE 802.15工作組正式建立了第6任務(wù)組TG6，致力于WBAN的標(biāo)準(zhǔn)化工作。從此，無線體域網(wǎng)很多技術(shù)的研究開始朝著統(tǒng)一的概念和標(biāo)準(zhǔn)邁進。2012年4月，IEEE工作組正式提出了應(yīng)用現(xiàn)有的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段的針對人體內(nèi)外的短距離通信的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)——無線體域網(wǎng)。這也標(biāo)志著體域網(wǎng)的發(fā)展翻開了嶄新的一頁。

該標(biāo)準(zhǔn)定義了一種介質(zhì)訪問控制(MAC)層來支持多種物理(PHY)層。簡要概述了PHY層和MAC層規(guī)范以及IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的帶寬效率。并且對網(wǎng)絡(luò)層，跨層協(xié)議和服務(wù)質(zhì)量做了一個簡單的介紹，還討論了標(biāo)準(zhǔn)的安全模式。目前，IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種頻譜使用方式： 窄帶（頻分）和寬帶（UWB）； 兩類信道：無線信道和人體信道；3種接入模式：信標(biāo)超幀模式、非信標(biāo)超幀模式和非信標(biāo)非超幀模式；3種PHY層：窄帶(NB)層，超寬帶(UWB)層和人體通訊(HBC)層。每個PHY的選擇都取決于應(yīng)用的要求。在它的頂部，該標(biāo)準(zhǔn)定義了一個完善的MAC協(xié)議控制訪問通道。

在IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中定義，窄帶頻譜被規(guī)劃為7個頻段，分別是：402～405 MHz，420～450 MHz，863～870 MHz，902～928 MHz，950～958 MHz，2 360～2 400 MHz，2 400～2 483.5 MHz。每個頻段又被劃分為不同數(shù)目的信道。超寬帶工作頻段可以分為低頻段（3.25～4.75 GHz）和高頻段（6.6～10.25 GHz），每個頻段被劃分為不同的信道，低頻段共有3個信道，高頻段的信道數(shù)目為8，不同中心頻率之間的信道間隔相同，為499.2MHz。另外，由于WBAN是以人體為中心的，不同類型的人對其需求程度各不相同，所以WBAN異質(zhì)性。而WBAN節(jié)點異質(zhì)性主要體現(xiàn)在信道質(zhì)量、通信距離、功能、幾何大小、數(shù)據(jù)通信量需求、能耗大小、電池剩余量以及其它傳感器節(jié)點的關(guān)聯(lián)性等方面的差異性。

2 組網(wǎng)架構(gòu)

在IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了WBAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有兩種基本形式：單跳的星形和多跳的擴展星形，如圖1所示。

圖1 WBAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?/p>

典型的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型主要有分布式、集中式和混合式3種。在WBAN網(wǎng)絡(luò)中，若是把單個WBAN看做是一個用戶，那么WBAN組網(wǎng)方式可以借鑒自組織網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。所以WBAN網(wǎng)間組網(wǎng)方式也有集中式和分布式兩種基本方式，如圖2所示。WBAN的組網(wǎng)方式和規(guī)模與組網(wǎng)開銷、服務(wù)質(zhì)量、人體類別、能量消耗等密切相關(guān)。

采用集中式組網(wǎng)時，由控制中心（CC）集中實施各WBAN的頻譜資源管理與分配。各WBAN向CC提交相關(guān)信息，如數(shù)據(jù)通信量需求和WBAN異質(zhì)性（可以是WBAN優(yōu)先級），然后CC根據(jù)已有的頻譜資源和從各WBAN獲取的相關(guān)信息，基于一定的公平性準(zhǔn)則統(tǒng)籌頻譜資源的分配。

采用分布式組網(wǎng)時，WBAN之間需要交換相關(guān)信息?？紤]到網(wǎng)絡(luò)中WBAN的退出或新的WBAN的加入，網(wǎng)絡(luò)中的每一個WBAN均需要即時更新這些消息。基于一定的公平性準(zhǔn)則，WBAN之間可采用協(xié)作或非協(xié)作的方式使用頻譜資源，如何引入合作博弈或非合作博弈理論指導(dǎo)頻譜分配。

3 相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前，有關(guān)體域網(wǎng)的研究大部分都集中在物理層。而對于體域網(wǎng)中的MAC研究，很多研究者都是在直接假設(shè)星型拓?fù)涫亲罴淹負(fù)涞那闆r下進行的。

4 存在的問題及進一步的工作

圖2 WBAN組網(wǎng)示例

對于體域網(wǎng)來說，由于采用無線鏈路和電池供電，以及WBAN用戶使用的Hub終端不同，WBAN可以使用的帶寬資源和能量資源十分有限，且?guī)в幸欢ǖ牟町愋裕灾骆溌烽g干擾問題很難處理。所以要求處于同一密集空間下的體域網(wǎng)間能夠合理分配信道資源，此外體域網(wǎng)中的節(jié)點也要合理使用信道資源，但又必須要考慮到最大限度的減少對人體的影響或者是傷害，因此研究體域網(wǎng)在能量和資源受限的情況下，如何合理的分配資源以使得效用最大化成為熱點。

4.1 網(wǎng)間資源分配存在的問題及進一步的工作

隨著WBAN技術(shù)的發(fā)展，多個WBAN同時出現(xiàn)的場景會越來越常見，如監(jiān)護中心、娛樂中心等。有關(guān)WBAN網(wǎng)間的研究大部分都是針對如何降低網(wǎng)間干擾，主要包括功率控制、組網(wǎng)方式、接入模式與媒體訪問控制等方面，其中資源分配也是降低干擾的有效途徑之一。由于新制定的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)只給出了單個體域網(wǎng)內(nèi)部的相關(guān)規(guī)定，并未涉及多個WBAN，所以本文認(rèn)為對于網(wǎng)間資源問題目前主要存在以下4個方面亟需解決。

（1）新標(biāo)準(zhǔn)中并未給出多個WBAN組網(wǎng)方式，也未涉及到如何分配有限資源才能夠減少WBAN之間的干擾并且實現(xiàn)資源的合理利用，可以考慮參考自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特性進行組網(wǎng)設(shè)計。

（2）多個WBAN組網(wǎng)的容量最大化問題。在給定頻譜資源和有多種約束條件下，多個 WBAN組網(wǎng)規(guī)模大小。并且針對組網(wǎng)規(guī)模大小，WBAN類型等因素，來考慮選擇何種組網(wǎng)方式進行組網(wǎng)，來盡可能的減少網(wǎng)間干擾，降低能耗。

（3）考慮不同組網(wǎng)方式對資源分配的影響，針對不同組網(wǎng)方式設(shè)計最優(yōu)資源分配方案，獲得資源分配的合理性和WBAN用戶的公平性。

（4）考慮WBAN的異質(zhì)性對資源分配的影響，既考慮盡可能多的為WBAN提供服務(wù)，又要考慮滿足各種不同優(yōu)先級WBAN的服務(wù)質(zhì)量要求，如需求程度高的用戶可以獲得優(yōu)先分配資源的權(quán)利。

4.2 網(wǎng)內(nèi)資源分配存在的問題及進一步的工作

目前有關(guān)體域網(wǎng)資源分配的研究，大部分研究文獻或者研究對象都是針對于標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4來開展的，而針對新出的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)所做的研究相對來說比較少。這也使得以前的部分研究較現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)有了一定的偏差性。不能很好的和現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)匹配結(jié)合起來。所以本文對存在的問題和未來的研究方向提出以下幾方面的思路。

（1）在現(xiàn)有研究工作的基礎(chǔ)上，重新結(jié)合IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)來進行系統(tǒng)和深入的研究設(shè)計。針對不同的信道資源特性和WBAN業(yè)務(wù)特性，來設(shè)計最優(yōu)的網(wǎng)內(nèi)資源分配方案。

（2）考慮WBAN中節(jié)點的異質(zhì)性，根據(jù)傳感器節(jié)點所傳輸信息對人體的重要程度的不同來設(shè)置優(yōu)先級，優(yōu)先分配信道資源，來滿足WBAN旨在監(jiān)護人體健康的目的。

（3）建立一個梯度方案，將多個無線體域網(wǎng)間的資源分配與單個無線體域網(wǎng)內(nèi)的資源分配有效的結(jié)合起來，形成完善的WBAN資源分配方案。

5 結(jié)論

無線體域網(wǎng)資源分配方案是實現(xiàn)有限頻譜資源有效利用的根本保障，在能量和資源受限的情況下，研究體域網(wǎng)如何合理的分配資源以使得效用最大化成為熱點。

本文主要是從網(wǎng)間資源分配和網(wǎng)內(nèi)資源分配兩個方面，對近年來國內(nèi)外在該相關(guān)領(lǐng)域的主要研究成果進行分析、闡述和總結(jié)，并且提出了尚未解決的問題，為進一步研究提出了新的課題和思路。

Survey of resource allocation in wireless body area network

ZHANG Li
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A wireless body area network aims to provide real-time and ubiquitous body monitoring to perform autonomous early prediction, diagnostic, and tracking the response of the body to treatments, becoming a hotspot of research and application. As the importance of WBAN in daily life has become increasingly prominent. The standard IEEE 802.15.6 was published in 2012, which was specifically designed for WBAN. This article focuses on the resource allocation problem in and between WBAN, considering the heterogennity of WBAN and sensor node, analyzing the research status and the insufficient of resource allocation. Finally, several key issues of resource allocation problem in and between WBAN are discussed and future directions are pointed out.

WBAN; resource allocation of inter WBAN; resource allocation of intra WBAN

TN929.5

A

1008-5599（2014）08-0033-04

2014-06-05