人體局域網BAN技術綜述

龔鏝霖++張徹++周新麗++張越

摘 要：人們對無線網絡日益頻繁的使用以及電子設備微型化的趨勢極大地促進了無線人體局域網的發(fā)展。文章通過綜述現有的人體局域網BAN資料，從宏觀上介紹了人體局域網的體系結構，展現了人體局域網的現狀，并且對人體局域網技術在現實中的應用、現存的不足以及未來的發(fā)展作了簡要介紹。

關鍵詞：人體局域網BAN；無線技術；傳感器；通信

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

根據世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，人口老齡化正成為一個越來越嚴重的問題。他們指出，世界老齡人口數目將會在2025年翻倍，也就是說，到2025年，老年人口比例將達到22%。與此同時，生活習慣也使得成千上萬的人每天受到肥胖和慢性病的折磨。正因如此，發(fā)達國家面臨越來越高的醫(yī)保成本[1]。這種境況若持續(xù)下去，現已過度負荷的醫(yī)保所能帶給我們的服務質量必將呈現下滑的趨勢，而引入對現行醫(yī)療保障體系能有驅動型提高的新興技術，也就是人體局域網（BAN）成為了必然。

1 區(qū)分BAN與WSNs

人體局域網（BAN）是一種新型的網絡結構，是對重量輕、體積小、超低功耗以及可以實現智能監(jiān)控的可穿戴傳感器的進一步改造和實現。在人體局域網中，傳感器持續(xù)不斷地監(jiān)控人體的生理活動和動作，例如健康狀況和情感模式。人體局域網需要相應的協(xié)議和算法來達到這些功能。然而，盡管已有許多算法和協(xié)議為傳統(tǒng)的無線傳感器網絡（WSN）[2]而設計，但它們對于人體局域網特殊的功能和應用需求并不合適。由此我們給出人體局域網（BAN）和WSN的區(qū)別，具體見表1所列。

表1 BAN與WSN的比較

BAN WSN

部署節(jié)點 允許冗余節(jié)點，

節(jié)點可觸碰性 防止冗余節(jié)點，

節(jié)點不可觸碰

目的 記錄人體規(guī)律性生理活動 監(jiān)視事件防患于未然

電池 電池可替換性 電池位置不可達，

替換難度大

結點位置 跟隨人體移動性 相對穩(wěn)定性

波的接受 人體為損耗介質 對介質有選擇性

其他 嚴格保密，高可靠性，

少延遲 相應要求，較為靈活

2 BAN通信體系結構

與其他現存技術相較，如WLAN，BAN通過復雜而普遍的無線計算設備使在人體內部或周圍的無線通信成為可能。

圖1所示為BAN通信體系的結構圖。

圖1 BAN通信體系結構

圖1給出了基于BAN的健康監(jiān)視系統(tǒng)的大致結構。ECG（心電圖）、EEG（腦電圖）、EMG（肌電圖）、動作傳感器和血壓傳感器把數據發(fā)送到鄰近的個人服務設備上，然后，通過藍牙/無線局域網的連接將這些數據流送到遙遠的醫(yī)生家中進行實時診斷，或者送到一個醫(yī)療數據庫進行記錄保存，再或者送到一個出現了緊急狀況的相關設備上。通常，我們把BAN的通信體系結構分成：通信一層（BAN內部通信）、通信二層（BAN相互通信）、通信三層（BAN外部通信）三個部分。這些部分囊括了從低級設計到高級設計的大多數方面并且促成了基于組件且能應用于多方面的高效BAN系統(tǒng)。通過定制設計不同部分的成本、覆蓋范圍、效率、帶寬和服務質量，根據特殊應用的上下文環(huán)境和市場需求所提出的特殊要求是可以被滿足的。圖2所示是與APs相連的具體方式。

2.1 BAN內部通信

BAN內部通信指的是在人體周圍2米的范圍內進行無線電通信，這一部分可以被進一步劃分為：（1）人體和傳感器之間的通信；（2）人體傳感器和便攜式個人服務設備之間的通信。由于和人體傳感器以及BANs會建立直接的關系，BAN的內部通信顯得至關重要。進一步說，現存人體傳感器所固有的電池供電和低比特率的特性使得設計一個帶有服務質量條款的有效的媒體訪問控制協(xié)議成為一個挑戰(zhàn)性的問題。

圖2 與接APs相連的方式[3]

為了避免互聯的無線傳感器和個人服務設備所帶來的挑戰(zhàn)，現存的一些架構比如MITHril[4]和SMART[5]利用電纜直接將多數在市場上可買到的傳感器和個人服務設備進行直接連接，如圖2（a）所示。

而另一方面，CodeBlue規(guī)定傳感器不通過個人服務設備而直接與接入點相連，如圖2（b）所示。與之前兩種途徑相比，圖2（c）呈現了利用一個星形拓撲的典型結構。在這個結構中，大多數傳感器將人體信號傳送到個人服務設備上，然后個人服務設備依次將加工過的生理數據傳送到一個接入點上。

圖2（d）和圖2 （e）呈現了相對于二級BAN的優(yōu)點。在第一級中，大多數有線或者無線的傳感器連接到了一個單一中樞處理器上，以此來減少原始數據并且節(jié)約能量。這樣一來，在數據融合之后，便需要從中樞處理器所傳送到個人服務設備的數據規(guī)模。但是，這些解決辦法也帶來了許多挑戰(zhàn)，比如高級傳感器通過考慮特殊生物醫(yī)學通信特點來對數據進行加工。例如，文獻[6]中采用了一個兩級基礎的BAN內部通信結構，一個節(jié)點從傳感器接收型號，并且把它傳送到另一個連接在圖2（e）中所示的基站的節(jié)點上。顯而易見，從采納圖2（a）到采納圖2（e）的系統(tǒng)復雜性增加了。

2.2 BAN相互通信

相對于WSNs系統(tǒng)通常是自動運行的，BAN系統(tǒng)很少單獨工作。在這部分，我們將“BAN相互通信”定義為個人服務設備和一個或多個接入點（APs）之間的聯系。APs可以作為基礎設施部署，或者是策略性地布置在為緊急情況而設置的動態(tài)環(huán)境中。同樣的，BAN相互通信的功能是用來使BANs能夠和各種在日常生活中容易使用的網絡互相聯系，比如因特網和細胞網絡。

我們把BAN相互通信模范通常細分為兩個子目錄——基于基礎設施的結構和基于特殊情況的結構?；诨A設施的結構可以提供更大的帶寬，更集中的控制和更高的靈活性，相對而言，基于特殊情況的結構具有當遇到動態(tài)環(huán)境可以快速調度的能力，例如遇到醫(yī)學的緊急情況需要應對或者是在災區(qū)發(fā)生突發(fā)情況的事件下。

2.3 BAN外部通信

相對于第二層的BAN相互通信，第三層的BAN外部通信是為了BAN在大都市地區(qū)的使用而設計的。為了連接BAN相互通信與BAN外部通信，可以使用一個網間連接裝置比如PDA來創(chuàng)建一個這兩者之間的無線連接。

如圖1所示，BAN外部通信層可以通過細胞網絡或者因特網來授權個人權威醫(yī)療保健員（醫(yī)生或護士）來獲取偏僻地區(qū)病人的醫(yī)保信息從而進一步提高E-healthcare系統(tǒng)的應用和覆蓋范圍。

數據庫同樣是BAN外部通信層不可或缺的一個部分。這個數據庫主要是存儲用戶的檔案和病史。根據用戶的服務優(yōu)先權和醫(yī)生的使用權，醫(yī)生可以在需要時獲得用戶的信息。與此同時，基于這份數據的自動化通知可以通過各種通訊方式發(fā)送給病人的親屬。

對于BAN外部通信層的設計是根據不同的應用所變化的，并且應該要根據用戶特殊的需求隨時更新。例如，如果根據時刻更新所傳輸到數據庫的人體信號發(fā)現了任何異常，一個警告就可以以郵件或短訊的形式通知病人或者是醫(yī)生。有必要的話，醫(yī)生或者是其他護理者可以通過網絡視頻會議與病人進行交流。事實上，醫(yī)生根據視頻交流和病人存儲在數據庫或由病人穿戴的BAN傳感器發(fā)送的生理數據信息進行對病人的遠距離診斷是有可能實現的。

對于旅游等移動的病人，如果醫(yī)療警報被觸發(fā)，則他有可能正經歷生死攸關的境況。通過使用以上結構的BAN通信系統(tǒng)的幫助，應急情況部門可以從醫(yī)療保健數據庫上搜到所有必要的醫(yī)療信息并根據已知的醫(yī)療情況來救治病人。

3 BAN的應用領域

不斷發(fā)展的BAN也有了越來越廣闊的應用領域，它與其他無線技術相接觸，例如WSNs，RFID技術[7]，Zigbee[8]，藍牙，WiBree[9]，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，WPAN，WLAN，因特網和細胞網絡。在這種情況下，更多自動和智能應用將會被視為提高人類生活水平的關鍵。有諸多應用從BAN和日新月異的無線技術的結合中受益，如圖3 所示。

圖3 BAN的應用領域

4 信息安全

在BAN中，傳感器之間與健康狀況有關的信息交流容易出現安全問題，分別體現在以下四個方面：數據保密性，數據權威性，數據完整性和數據新鮮度。

（1）數據保密性：數據保密性意味著被傳輸的信息是嚴格屬于隱私范圍并且只能被授權者獲取，比如照顧病人的醫(yī)生。通常是通過對稱或者不對稱的密鑰來進行加密。

（2）數據權威性：數據權威性提供了保證信息是被所聲稱是發(fā)送者的人發(fā)送的。為了達到這個目的，信息認證碼通過一個分享的密鑰進行計算。

（3）數據完整性：數據完整性可以保證我們收到的是未經篡改的信息。通過證實，信息認證碼可以對其進行檢查。

（4）數據新鮮度：數據新鮮度保證收到的數據是最近的，并且不是會產生干擾或被替換過的陳舊信息。一個應用得較廣泛的方法是添加一個每發(fā)送一次信息數值就加一的計數器。

5 其他問題

5.1 能量供應問題

所有的BAN設備由于數據收集、加工和傳輸都會對能量來源有所要求，合適的能量供應就成了最重要的問題。大多數BAN設備是由電池驅動的，但是單設備植入人體內時，電池是不可能被替換的。因此，類似于遠程電池充電的技術就很重要了。除了許多課題正在研究的能量采集器的方法，MIT的研究者們最近報道對電子電力設備通過利用易消散的波[10]進行短距離無線能量傳輸是可以實現的。

5.2 標準化

有許多科學家正致力于研究互用性臺式機遠距離醫(yī)學系統(tǒng)和床邊設備，例如Health Level 7和ISO/IEEE11073標準[11]。然而，在保護用戶隱私的前提下，使用BAN的智能監(jiān)控和治療系統(tǒng)要求適用于非固定的環(huán)境，并且可以提供醫(yī)療保健點而不用考慮用戶位置的標準化規(guī)則。在應用或領域級別的互用性協(xié)議，例如抽樣率，數據精度，連接/斷開連接，設備說明書以及術語，都應該制定標準化的用戶界面。

6 結 語

人體局域網（BAN）是一個非常有前景的技術，可以預見，它會在下一代醫(yī)療保健系統(tǒng)和娛樂領域引起一場革命。但與此同時，它也在可測量性、能源效率、天線設計、服務質量、共存、減輕干擾及安全隱私等方面給我們帶來了問題和挑戰(zhàn)。隨著時間的推進，學術研究將不斷深入，這些問題在日后都會一一解決，而我們也會享受到人體局域網帶給我們的便利。

參考文獻

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