無線體域網 （1）

陳文

[編者按]無線體域網是個人健康信息采集與傳輸的重要技術手段之一，具有重要現(xiàn)實意義和產業(yè)化前景，受到工業(yè)界、學術界和標準化組織的廣泛關注。另外，IEEE 802.15.6 協(xié)議標準是目前國際上公認的一款適用于健康信息采集的未來超短距無線體域網協(xié)議標準。講座將分3期對該技術進行介紹：第1期講述無線體域網的背景、研究動態(tài)和技術特征；第2期對無線體域網的頻段選取、信道建模、MAC層協(xié)議、通信技術和數據處理技術特征進行介紹；第3期介紹無線體域網的節(jié)點設計、數據采集和應用場景的相關問題。

1 無線體域網的背景

目前，人口高齡化是一種全球性的發(fā)展趨勢。根據聯(lián)合國的調查預測，2030年中國65歲及以上高齡人口將占總人口的15.7%。全球人口老齡化以及醫(yī)療成本上升導致世界衛(wèi)生保健基礎設施的緊張。根據衛(wèi)生部的統(tǒng)計，現(xiàn)在中國60歲以上的老人已經超過1.8億，而且每年還以500萬～800萬的數量不斷增加，人口老齡化所帶來的慢性疾病、醫(yī)療保健以及老年生活質量等問題已經成為中國社會發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。由于疾病負擔的加重，醫(yī)療保健系統(tǒng)將無法提供足夠的專業(yè)人士來照顧病人。同時，由于便利或成本的原因，越來越多的人會不選擇去醫(yī)院，希望能通過無線傳感網絡獲得醫(yī)療幫助。因此，醫(yī)學的進步、人類壽命的延長以及人們對自身健康的關注，將推動基于無線個域網（WPAN）和無線體域網（WBAN）的電子健康解決方案的研發(fā)。

圖1是BAN的整體架構。WBAN是以人體為中心，由和人體相關的網絡元素（包括個人終端，分布在人身體上、衣物上、人體周圍一定距離范圍如2 m內、甚至人身體內部的傳感器、組網設備等）組成的通信網絡。通過WBAN，人體傳感器可以和其身上攜帶的個人電子設備如PDA、手機等進行通信；通過WBAN和其他數據通信網絡（比如其他人的WBAN、無線/有線接入網絡、移動通信網絡等）組成一個整體通信網絡，它能夠和網絡上的任何終端如PC、手機、電話機、媒體播放設備、數碼相機、游戲機等進行通信。WBAN將把人體變成通信網絡的一部分，從而真正實現(xiàn)網絡的泛在化?？纱┐饔嬎愫头涸谟嬎阋矊㈦S著WBAN的普及應用成為人們日常生活的基本特征。WBAN目前仍處在發(fā)展早期階段，在毫瓦級網絡能耗、互操作性、系統(tǒng)設備、安全性、傳感器驗證、數據一致性等方面面臨一系列挑戰(zhàn)，但由于WBAN的重要性及對未來醫(yī)療保健和助老助殘等社會問題的深遠影響，越來越多的人員投入到WBAN的研究中。為了讓WBAN 成為醫(yī)療保健領域長期監(jiān)視和記錄人體健康信號的基本技術，醫(yī)療技術提供商、醫(yī)院、保險公司以及工業(yè)界的各方人士正在開展戰(zhàn)略性合作。

2 無線體域網的研究動態(tài)

在工業(yè)界，全球已有很多與WBAN相關的項目正在研究中。在歐洲，F(xiàn)P7 REACTION 項目的研究目標是開發(fā)一個技術平臺和試點應用，用來提高病人體內和體外的糖尿病防控。FP7 WEARBAN項目是為低功率的體域網（BAN）引入一個智能的接口，這樣BAN系統(tǒng)就可以安裝在智能衣服、復原機器人或者視頻游戲中增加真實性等應用上。FP7 WISEBED 項目是為大規(guī)模的無線傳感器網絡提供一個多層次、相互鏈接的測試設備平臺，該項目主要用于科研，將硬件、軟件、算法和數據有機地結合了起來。它用來闡述不同結構的小型設備和測試床如何能夠很好地結合成大規(guī)模的結構，而不是簡單的大型網絡。另外，WiserBAN 項目主要研究適用于WBAN中的超小型和超低能耗的射頻（RF）微系統(tǒng)，研究的重點是用超低能耗的片上系統(tǒng)、RF和低頻率的微機電系統(tǒng)（MEMS）、微小的可重構天線、微小的包系統(tǒng)、傳感器信號處理系統(tǒng)和可變的通信協(xié)議來實現(xiàn)WBAN的微縮化。中國也開發(fā)了用于中醫(yī)脈象信息收集及分析的無線網絡遠程醫(yī)療系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過搭建一種新的WBAN網絡，應用無線通信技術、輕量級的數據融合模型以及一系列處理、分析和識別算法，采集中醫(yī)脈象信息、抽取脈搏波波形特征點，智能處理和分析特征點信息，并給出診斷結果（如高血壓和冠心病等）。

在學術界，英國帝國理工大學開展了對WBAN中情景感知和周圍環(huán)境感知的研究；美國加州大學和伯克利大學等重點對WBAN可穿戴性、可擴展性和資源優(yōu)化等進行研究；中國香港中文大學等基于多種通信方式構建混合的WBAN，并對移動WBAN中跟蹤和能量感知多媒體介入控制（MAC）進行了相關研究；韓國信息通信大學等從低能耗和通信的角度構建新型的WBAN系統(tǒng)；新加坡國立大學等對WBAN的架構展開了深入研究；上海交通大學研制了對腸胃數據獲取的微型機器人和對人體體溫、血糖、血壓等身體指標感知傳輸系統(tǒng)；中國科學院計算技術研究所構建了新型的WBAN平臺并對WBAN中數據融合技術展開了研究；中國科學院自動化研究所研究WBAN對人體活動的監(jiān)控。此外，中國臺灣以及世界的其他地方如加拿大、德國、愛爾蘭、巴西、比利時和瑞士等地區(qū)或國家在WBAN的自適應性和可調節(jié)性、中間件、信號處理算法、健康及活動監(jiān)控和網絡可靠性等方面的研究也取得了進展。

在標準化方面，推進近距離無線通信標準化的IEEE 802.15工作組2012年正式批準了由人體周邊配置的各種傳感器及器件構筑的近距離無線網絡的標準IEEE 802.15.6[1]。WBAN的標準化討論從2007年開始，經過約5年時間終于完成了標準制訂工作。這無疑對WBAN的規(guī)范化、標準化發(fā)展有所助益。

3 無線體域網的技術特征

WBAN是一個交叉技術領域，和WPAN、無線傳感器網絡（WSN）、泛在傳感器網絡（USN）、無線短距離通信以及移動通信都有密切的關系，并且具有非常廣泛的應用前景和巨大的市場潛能。一般意義上的WPAN 是指個人通信設備（如PC、手機、媒體播放器、PDA、數碼相機等）之間的聯(lián)網和通信。而WBAN則是各種放置在體表、人體周圍、植入人體的傳感器和個人通信設備之間的數據通信。WSN目前的應用很廣泛，遠程醫(yī)療診斷和監(jiān)護其實是WSN 的一個非常重要的方面。傳感器網絡的泛在化導致了USN的出現(xiàn)。USN 其實是一種面向應用和業(yè)務的體系架構，通過這種公共的架構可以支持各種傳感器網絡和IP 的公共數據網絡相互連通，實現(xiàn)固定與移動的融合（FMC），并提供各類業(yè)務和應用。和其他的短距離無線通信技術相比，WBAN 要求在相同的功率下，數據傳輸速率更高；或者在相同的數據傳輸速率下，需要的功率更低。傳感器技術是WBAN 的重要基礎，小型化、智能化、高精度、低功率的各類傳感器是支持WBAN 的必要條件。尤其對于植入到人體內部的傳感器，低功率是非常關鍵的性能。這些傳感器只能靠電池來驅動，有限的電池能量需要在相當長的傳感器生命周期內支持傳感器的正常工作。因此，WBAN 中的傳感器，有的具有從周邊環(huán)境自動收集能量的能力，比如利用人體組織的熱量轉換電能等[2-4]。

雖然移動通信網絡、WSN 和WBAN 三者之間相互關聯(lián)，但由于應用領域的不同，它們也存在很多不同之處：比如在流量特征上，移動通信網絡主要是高比特率的多媒體數據，WSN是和應用相關的零星突發(fā)的數據，而WBAN 是存在持續(xù)數據量的，并且比特率比較低；在網絡拓撲方面，移動通信網絡在基礎架構上是基本不變的，WSN 支持隨機和動態(tài)的拓撲結構，WBAN 也需要支持動態(tài)的網絡拓撲；在對于能源的需求方面，WSN 和WBAN 都要求電池能夠使用數年，對低功耗要求較高；在總體設計思想上，移動通信網絡追求的是高帶寬利用率、高頻譜利用率、服務質量（QoS），而WSN 和WBAN 都首先要追求高能量有效性、網絡的自主操作性和成本低廉，除此之外從抗干擾和保護人類健康的這兩個角度出發(fā)，WBAN還要求對于電磁干擾具有良好的屏蔽能力。

WBAN的通信性質與其他方式的通信不同。其中一個顯著的區(qū)別是，由于不同的天線及其布局以及身體的移動性，WBAN 的射頻信道具有在延遲和衰減中的可變性，并依賴于人體的物理特性。體質和身體的運動會影響接收端信號的強度。WBAN中常用的3種節(jié)點是：

· 體表節(jié)點，是指安置在距離皮膚2 cm以內的節(jié)點。

· 植入節(jié)點，指安置在皮膚以下的節(jié)點，它可以在皮下或人體組織的深處。

· 外部節(jié)點，指安置在人體以外（從幾dm到5 m不等）的節(jié)點。

而基于通信節(jié)點的實現(xiàn)場景可分為：體表到外界，體表到體表，植入物到外界，植入物到體表，植入物到植入物。而人體上兩點間的通信電波是非平穩(wěn)的，即便是在靜止的條件下，身體還是會有細微的運動。在正常的運動下，變化會非常劇烈，特別是在參加體育運動時，變化會異常劇烈。因此，電波的描述一方面要與身體上的終端位置變化有關，另一方面也要與幾何環(huán)境的動態(tài)變化有關。幾何環(huán)境的變化會影響天線的運作，特別是輸入匹配和傳輸模式的運作。天線和傳輸損失的變化是可以利用的，并以此達到最大的信道容量和最小的功率消耗。因此，無線信道建模與分析是研究WBAN的一個重要基礎。

WBAN中MAC層和PHY層的高層特征可以概括為如下：

· 根據不同的應用，功率消耗應允許自供電運行時間從幾個小時到數年不間斷。

· 當需要的時候，安全性需基于能量有效性，它應能以最小的開銷支持基本的身份認證、數據完整性和密碼操作。

· WBAN和其他通信環(huán)境的共存，以及醫(yī)療環(huán)境下的BAN 間共存（電磁兼容性/電磁波吸收比值）。

· 電磁干擾（SAR）進入人體必需滿足相關監(jiān)管規(guī)定。

· WBAN應能恢復鏈路和節(jié)點故障造成的數據損失。

在WBAN的某些應用中，設備必須不間斷地運行數月甚至數年，而另一些時候電池需工作數十小時。這依賴于設備的大小和應用的場景。比如，心臟除顫器和起搏器都可以工作超過5年，相反吞咽式的攝像藥片只有12 h的生命周期。絕大部分非醫(yī)療設備都要求非工作狀態(tài)下，設備可以待機100～200 h，激活工作時間為數小時。超低功耗是植入設備長時間工作的一項重要要求。在一些應用中，要針對其設計功率限制方案。峰值功率消耗和平均功率消耗需最小化以支持微小電池和最大化電池壽命。最基本的方法就是讓不常用的組件在絕大部分時間不占用資源。一個有效的管理方案是使得元件的占用資源時，盡量減少空閑，減少干擾，控制和錯誤。對于低占空比的元件，應當進入睡眠模式。簡而言之，PAN和BAN的功率控制可能是關系到一個人的生命的重要問題[5]。

另外，在WBAN的應用中需要考慮到當身體在移動時，節(jié)點需有可靠通信的能力。由于不穩(wěn)定的信道狀態(tài)引起的網絡數據容量下降是允許的，但是不能造成數據的丟失。上述的應用可能包括由于走路、揮動手臂、跑步、彎腰、旋轉、跳舞或者坐立等引起的身體移動，從而導致信道衰落和遮擋效應。單獨的節(jié)點可能會相對其他節(jié)點移動，而整體的WBAN可能會產生絕對的位移。這種絕對的位移會產生變化的干擾和共存環(huán)境。同時，BAN 設備需要與其他的BAN設備或者傳統(tǒng)裝置共存。這些設備可能需要在由物理層引起的干擾環(huán)境或者進入物理層的干擾環(huán)境中操作。這些特性可能由高層次（物理層以上）來協(xié)調。這些設備需要能夠在高噪聲、高多徑和動態(tài)的環(huán)境中操作。物理層需要能夠支撐一定程度的信道間和信道外干擾。醫(yī)療BAN應用涉及大量的隱私、人體安全性，甚至關聯(lián)到財產問題。安全和隱私是病人、醫(yī)生和醫(yī)療服務提供者主要考慮的因素。在傳輸加密的人體生理數據的時候，需要避免病人數據被串音。當網絡容量超出了系統(tǒng)容量的時候就會發(fā)生拒絕服務（DoS）。DoS的發(fā)生與惡意用戶的故意行為和無意過度使用網絡緊密相關。

綜上所述，醫(yī)療信號涉及到身體健康的關鍵因素，對于可靠性、準確性、安全性和一些延遲等有著非常嚴格的要求。 （待續(xù)）

參考文獻

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