應用于WBAN的動態(tài)自適應網(wǎng)絡研究

莫太平，張希云，王曉輝，聶澤東

(1. 桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

應用于WBAN的動態(tài)自適應網(wǎng)絡研究

莫太平1，2，張希云1，2，王曉輝1，2，聶澤東1，2

(1. 桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055)

摘要:基于WBAN的技術(shù)尚不成熟，提出一種新型WBAN技術(shù)方案，將HBC技術(shù)與MICS頻段結(jié)合應用到WBAN中。考慮到體域網(wǎng)中體內(nèi)節(jié)點的能耗約束性，提出了一種應用于WBAN的新型網(wǎng)絡，即具有自適應性的基于中繼的兩跳星型網(wǎng)絡；針對WBAN中節(jié)點生存周期的重要性，提出一種低能耗的MAC協(xié)議——基于TDMA的中繼MAC協(xié)議。該方案的提出，能夠滿足WBAN對安全、能耗、可靠性等服務質(zhì)量(QoS)的要求，且較好地改善了體內(nèi)節(jié)點的網(wǎng)絡生存期。

關鍵詞:WBAN；HBC；星型網(wǎng)絡；中繼；MICS；自適應

隨著WBAN(Wireless Body Area Network)作為近年來新興的技術(shù)，由麻省理工大學T.G.Zimmerman教授于1996年首次提出[1]。針對體域網(wǎng)的研究迅速受到全球眾多科研機構(gòu)的關注，并迅速地推動了其快速發(fā)展，IEEE的TG6小組很快于2012年推出了首個針對WBAN的草案標準——IEEE802.15.6[2]，其中定義了包括適用于WBAN的物理層(PHY)、MAC層(Media Access Control)及安全等級等核心內(nèi)容。

目前的研究主要集中于高能效的MAC層、人體信道的建模及物理層實現(xiàn)等方面。人體信道模型的建立方面：文獻[3]首次提出接收信號的強度與信號的載波頻率及利用人體作為傳輸信道的發(fā)送器尺寸有關系，并提出和縱向的電極方向相比，橫向的能使接收信號幅度更大；文獻[4]中提出了時域響應方面，收發(fā)器距離的增加導致信道的衰落和較長的時延；頻率響應方面隨著信號頻率的增加，傳輸信號幅度呈衰減趨勢并認為BPSK和MASK是最適合IBC(Intra Body Communication)的調(diào)制方式，此時能夠獲得較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；文獻[5]中提出了在45 MHz的載波條件下，環(huán)境的變化、人體的移動對人體通信均不會產(chǎn)生敏感的影響。在MAC層研究方面：文獻[6]提出一種協(xié)作機制來消除由于人體移動造成的信道快速衰落和慢衰落，并提出一種適合于長期衰落的兩跳網(wǎng)絡；文獻[7]考慮到人體姿態(tài)的變化對MAC協(xié)議性能的影響，提出一種多中繼選擇策略協(xié)議。

本文針對WBAN技術(shù)方案的不成熟，提出了一種新型的WBAN方案。物理層方面：將網(wǎng)絡中的節(jié)點通過人體通信技術(shù)實現(xiàn)全網(wǎng)的節(jié)點信息交互。MAC層方面：針對無線體域網(wǎng)對能耗的特殊要求，提出一種針對(體內(nèi)節(jié)點)人體通信構(gòu)建的WBAN下的中繼MAC層協(xié)議，不僅能夠解決體內(nèi)節(jié)點電池更換困難的阻礙，而且延長了整個WBAN的網(wǎng)絡生存周期。網(wǎng)絡層方面：為了滿足WBAN的安全性要求，提出了一種新型的在人體通信環(huán)境下，通過獲取到人體對電磁波耦合后產(chǎn)生的個體差異性特征，將代表著身份信息的數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)了個體間身份的安全認證。

1PHY的設計思路

針對當前WBAN物理層的研究仍然是利用IEEE802.15.4標準中采用的ZigBee、藍牙、超聲波等短距離無線通信技術(shù)來實現(xiàn)WBAN的搭建，本文則將HBC技術(shù)和MICS技術(shù)結(jié)合在一起提出了一種新型WBAN網(wǎng)絡，它在可靠性、能耗及人體的輻射等都有較好改善，且延長了網(wǎng)絡的生存周期。

在體域網(wǎng)中，將節(jié)點分成兩大類，一類為體內(nèi)節(jié)點或稱為植入式設備，每個體內(nèi)節(jié)點均在體表對應一個中繼節(jié)點，保證其能以較低發(fā)射功率輸出，節(jié)省了它的能耗。體內(nèi)節(jié)點可以由ECG、ECG、EMG、胰島素監(jiān)測等傳感節(jié)點構(gòu)成。另一類體外節(jié)點則由主節(jié)點(中心節(jié)點)、中繼節(jié)點和普通的體表傳感節(jié)點組成。體外的普通傳感節(jié)點則主要包括一些醫(yī)療或非醫(yī)療節(jié)點。其中醫(yī)療節(jié)點包括血氧、血壓、脈搏等傳感節(jié)點構(gòu)成；非醫(yī)療節(jié)點主要包括陀螺儀、人工耳、骨傳導耳機等。

本文中提出的WBAN網(wǎng)絡是一種動態(tài)的、具有自適應性的星型網(wǎng)絡，如圖1、圖2所示，圖1為兩跳星型網(wǎng)絡，圖2為單跳星型網(wǎng)絡。星型網(wǎng)絡的特點主要表現(xiàn)在：各節(jié)點能耗較為均勻、時延較低、魯棒性較強。此新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)中繼節(jié)點與體內(nèi)節(jié)點的剩余能量差異，自適應調(diào)整網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，當中繼節(jié)點的剩余能量能夠維持本次數(shù)據(jù)通信內(nèi)消耗的能量時，采用圖1結(jié)構(gòu)，即體內(nèi)節(jié)點通過中繼節(jié)點與主節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換；一旦中繼節(jié)點剩余能力小于單次發(fā)送所需能量時，主節(jié)點會自適應地調(diào)整網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)至圖2網(wǎng)絡，使得體內(nèi)節(jié)點直接與主節(jié)點進行通信。網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的自適應調(diào)整能夠極大地延長整個網(wǎng)絡的生存周期，保證體內(nèi)節(jié)點達到最長的壽命。

圖1　兩跳星型網(wǎng)絡

圖2　單跳星型網(wǎng)絡

本文首次提出將HBC(Human Body Communication)技術(shù)和MICS(medical implant communication system)技術(shù)結(jié)合應用到WBAN網(wǎng)絡中。

1)植入式通信頻段MICS：該頻段的特點是主要分布在402～405 MHz頻帶內(nèi)，其具有10個信道，每個信道帶寬300 kHz[2]。

2)人體通信HBC頻段：人體通信即考慮到人體的電磁耦合特性，將人體作為通信媒介，進行短距離的體表通信，它包括電流耦合型或者電容耦合型通信方式，由于電流耦合方式實現(xiàn)復雜，且對地回路要求較高，故通常采用簡單的電容耦合方式進行人體通信。其被 IEEE802.15.6 正式列入了人體近端通信方式，其通信頻段從數(shù)千赫茲到百兆赫茲，典型頻段為21 MHz[1]。

HBC技術(shù)與傳統(tǒng)短距離無線通信技術(shù)相比，由于它直接與人體接觸，且通信頻率較低，因此使它具備了低功耗、高信息安全性以及人體低輻射性等優(yōu)點。正是由于HBC屬于耦合感應的通信方式，考慮到人體皮膚的電阻效應和電容效應，HBC僅在淺層體表能夠表現(xiàn)出較好的電磁特性，即趨膚效應，因此本方案中主節(jié)點與中繼節(jié)點和體表傳感節(jié)點間進行通信時，可以選用HBC方式。而由于深層肌肉組織會產(chǎn)生極強的信道衰落，導致信號傳輸質(zhì)量變差，故在主節(jié)點與體內(nèi)節(jié)點或者中繼節(jié)點與體內(nèi)節(jié)點進行通信時，考慮到體內(nèi)節(jié)點屬于植入式設備，則可以采用MICS頻段去實現(xiàn)節(jié)點間的通信。節(jié)點的工作頻率選擇如表1所示。

表1節(jié)點的工作頻率選擇

節(jié)點類型節(jié)點分布位置節(jié)點支持頻段節(jié)點工作頻率/MHz傳感節(jié)點體表人體通信頻段40體內(nèi)節(jié)點體內(nèi)MICS402～405中繼節(jié)點體表MICS、人體通信頻段40/402～405主節(jié)點體表MICS、人體通信頻段40/402～405

在各個節(jié)點形成要發(fā)送的信息幀之前，對于中繼節(jié)點和體內(nèi)節(jié)點的物理層，必須考慮將當前節(jié)點的剩余能量狀況考慮進去，待主節(jié)點或中繼節(jié)點接收到含有能量信息的信息幀后，進行一定的數(shù)據(jù)處理后，會適當做出調(diào)整。當中繼節(jié)點的剩余能耗不足以完成下一周期體內(nèi)節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)時，中繼節(jié)點會通過應答幀或轉(zhuǎn)發(fā)幀的形式分別通知主節(jié)點和體內(nèi)對應的傳感節(jié)點。主節(jié)點解析到中繼節(jié)點能量較低時，則在允許中繼節(jié)點退出網(wǎng)絡的同時，重新對網(wǎng)絡節(jié)點進行調(diào)整，即主節(jié)點直接與體內(nèi)節(jié)點進行通信，此時主節(jié)點會將自身的數(shù)據(jù)幀均通過HBC和MICS兩個頻段同時送出，保證了WBAN中所有節(jié)點均能接收到主節(jié)點發(fā)送過來的命令幀。同時，當體內(nèi)節(jié)點在解析到中繼節(jié)點剩余能量不足以維持自身的數(shù)據(jù)傳輸時，在下一個超幀周期到來前，體內(nèi)節(jié)點必須調(diào)整自身的發(fā)射功率等級，保證自身發(fā)送的數(shù)據(jù)請求能被主節(jié)點直接接收到，否則將直接由于主節(jié)點無法收到自身的數(shù)據(jù)請求而判定節(jié)點死亡。

2基于TDMA的中繼MAC策略

本文中在中繼傳輸策略的設計中，采用了基于TDMA

(Time Division Multiple Address)的MAC協(xié)議設計思路。此協(xié)議中，整個網(wǎng)絡節(jié)點的時隙分配由主節(jié)點負責，它會把含有時隙分配信息的信標幀廣播給WBAN中所有的節(jié)點，以告知各節(jié)點時隙分配的結(jié)果。為了支持具有自適應能力的WBAN網(wǎng)絡，文中提出了一種基于TDMA的中繼MAC策略。

在傳輸時期內(nèi)，各個傳感器節(jié)點將在所分配的時隙內(nèi)向主節(jié)點發(fā)送感知到的數(shù)據(jù)，如果有中繼需要，則中繼節(jié)點將在相應的時隙內(nèi)對傳感器節(jié)點進行偵聽并接收數(shù)據(jù)；當轉(zhuǎn)發(fā)時期到來時，中繼節(jié)點將在所分配的轉(zhuǎn)發(fā)時隙內(nèi)把接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給主節(jié)點，WBAN網(wǎng)絡中節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換流程參照圖3、圖4，圖3為主節(jié)點發(fā)給體內(nèi)節(jié)點時的數(shù)據(jù)流程[12]，圖4為體內(nèi)節(jié)點上傳采集數(shù)據(jù)給主節(jié)點的數(shù)據(jù)流程;在非激活時期內(nèi),所有節(jié)點進入睡眠狀態(tài)。

圖3　主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)至體內(nèi)節(jié)點的數(shù)據(jù)流程

圖4　體內(nèi)節(jié)點上傳采集數(shù)據(jù)給主節(jié)點的數(shù)據(jù)流程

文中在基于TDMA的中繼MAC策略中，提出的一種新型的超幀結(jié)構(gòu)，如圖5所示，該超幀結(jié)構(gòu)主要分為活躍期(Active)和非活躍期(Inactive)兩個階段。超幀的活躍期包含3種類型的時隙，分別是傳輸時隙、偵聽時隙和轉(zhuǎn)發(fā)時隙。

圖5　基于TDMA的中繼超幀結(jié)構(gòu)

一方面，主節(jié)點會將傳輸時隙分配給各傳感器節(jié)點，以便進行數(shù)據(jù)傳輸。

另一方面，主節(jié)點將偵聽時隙和轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配給中繼節(jié)點，分別進行數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。

本文傳輸時隙的分配方式選用固定分配方式。一旦傳感器節(jié)點的傳輸時隙被確定下來，則可根據(jù)中繼節(jié)點的分配結(jié)果來確定偵聽時隙和轉(zhuǎn)發(fā)時隙的分配。另外，設計超幀時，會在傳輸時期預留一定的時隙，供新加入節(jié)點使用，新加入節(jié)點可以在此時刻進行連接請求業(yè)務，請求主節(jié)點允許其加入網(wǎng)絡。

結(jié)合例子簡要地對偵聽時隙和轉(zhuǎn)發(fā)時隙的分配過程進行說明。若主節(jié)點將超幀中的第TSi個時隙作為傳輸時隙分配給體內(nèi)節(jié)點Si，并且將中繼節(jié)點Ni作為體內(nèi)節(jié)點Si的中繼時，主節(jié)點將同樣把第TSi個時隙分配給中繼節(jié)點Ni作為其偵聽時隙，并將對應的轉(zhuǎn)發(fā)時隙分配給中繼節(jié)點以便其進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

3性能仿真

3.1傳感器節(jié)點功耗模型

由于本文主要考慮到WBAN中，體內(nèi)節(jié)點的生存周期對整個體域網(wǎng)的影響最為重要，一旦體內(nèi)有節(jié)點能量耗盡，則由于更換節(jié)點電池的難度，導致整個網(wǎng)絡無法正常運行，很可能因無法采集到緊急數(shù)據(jù)而帶來嚴重的后果，故本文在仿真中只對體內(nèi)節(jié)點的性能進行仿真，保證了體內(nèi)節(jié)點的可靠性能，整個WBAN網(wǎng)絡才能有效運行。

通常植入設備安裝在皮膚下面特殊的位置或者器官中。因此主節(jié)點與體內(nèi)節(jié)點的傳輸距離通常包含三部分：體表皮膚之間、體內(nèi)到體表及空氣媒介。主節(jié)點與體內(nèi)節(jié)點之間的傳輸距離如圖6～圖7所示，圖6表示當中繼節(jié)點退出網(wǎng)絡時，圖7則表示在中繼節(jié)點有效情況下。

圖6　中繼節(jié)點退出

圖7　中繼節(jié)點有效

體內(nèi)節(jié)點和中繼節(jié)點的信道衰落模型參照式(1)，體表節(jié)點到主節(jié)點的信道衰落模型參照式(2)。空氣介質(zhì)的信道衰落計算參照式(1)，而皮膚介質(zhì)的信道衰落計算則可參照式(2)[8-9]

Loss(dB)=10log(16π2d2/λ2)

(1)

(2)

Lskin=10(PL(d)/10)

(3)

Pr1=Pt*(GtGr0λ2/(4π)2d2)

(4)

Pr=(Pt1/L)*Gt0Gr

(5)

PL(d0)和σ2的值參照文獻[8-9]，假定在B處存在一個天線，且天線的發(fā)射接收增益功率Gr和Gt均設定為1，B點接收的功率為Pr1，C點的接收功率記為Pr，鏈路損耗記為L。

3.2仿真參數(shù)設定

首先，在仿真中作了如下假設：1)所有傳感器節(jié)點都是平等的、固定的且具有相同的初始能量；2)只考慮數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸過程中的能耗；3)僅對單個體內(nèi)節(jié)點在中繼有效和中繼退出的條件下進行解析，一旦WBAN的網(wǎng)絡生存周期在中繼策略下比在非中繼策略條件下要大，則認定該方案有效。

WBAN中傳感節(jié)點能耗主要分布在3方面：采集數(shù)據(jù)功耗、接收數(shù)據(jù)功耗和發(fā)送數(shù)據(jù)功耗?？紤]到醫(yī)療機構(gòu)對體內(nèi)節(jié)點的能耗建議，將預定義的接收功率門限Pr設為-85 dBm，同時，考慮到醫(yī)學中規(guī)定，一旦發(fā)射功率超過-10 dBm，將會對人體的健康造成影響，故在中繼節(jié)點失效時，可將體內(nèi)節(jié)點發(fā)送功率Pt設定為-16 dBm；在中繼節(jié)點有效的情況下，植入設備體內(nèi)節(jié)點可允許其發(fā)送時功率為-36～-40 dBm即可。保證了植入設備或體內(nèi)節(jié)點與主節(jié)點進行正常的數(shù)據(jù)通信，具體節(jié)點參數(shù)設定參照表2[2,10]、表3[11]、表4。

表2仿真中使用的部分參數(shù)設定

參數(shù)項參數(shù)值睡眠/空閑250nA初始節(jié)點能量5313.6J支持電壓2.1～3.5V超幀持續(xù)時間≤125ms噪聲功率13dB通信距離50cm有效網(wǎng)絡范圍100cm×100cm

表3WBAN中節(jié)點參數(shù)需求設定

節(jié)點類型比特率/(bit·s-1)傳輸頻率/(f·s-1)節(jié)點類型比特率/(bit·s-1)傳輸頻率/(f·min-1)ECG30003體溫121EEG7201血壓121EMG60006心跳1260

表4WBAN傳輸參數(shù)表

場景設定通信距離/cm通信速率/(kbit·s-1)發(fā)送功率接收功率睡眠能耗/nA主從直連≤50300-16dBm/25μW-85dBm/3.16pW≤250中繼協(xié)作≤40300-36～-40dBm/(250～100nW)-85dBm/3.16pW≤250

在WBAN的MAC協(xié)議中根據(jù)業(yè)務的不同，定義了幾種不同的超幀類型，其中包括命令幀、數(shù)據(jù)幀等，具體各種超幀定義參照表5。

表5幀的長度定義

幀類型應答幀數(shù)據(jù)幀信標幀統(tǒng)計幀請求幀幀長度881152152140112

3.3仿真結(jié)果

由于本文主要為了提出一種延長體內(nèi)節(jié)點或植入式設備的網(wǎng)絡生存周期的仿真，在仿真中主要對體內(nèi)3個節(jié)點分別進行監(jiān)測(EMG，ECG，EEG)，通過將基于中繼的兩跳星型網(wǎng)絡(場景1)和單跳星型網(wǎng)絡(場景2)進行性能對比，得出仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　網(wǎng)絡生存期

圖9　節(jié)點的能耗

由圖8可以看出在EMG、ECG、EEG這3個節(jié)點在具有相同的初始能量及相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下，場景1(中繼星型網(wǎng)絡)中的節(jié)點相對場景2(單跳星型網(wǎng)絡)中的節(jié)點，持續(xù)的時間都相對較長，即EMG2≤EMG1，EEG2≤EEG1，ECG2≤ECG1，且EMG≤ECG≤EEG，它由3個節(jié)點的傳輸包頻率決定，表6中EMG節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸頻率最高，即消耗能量最高，因此其持續(xù)的時間最短。

由圖9可以看出在EMG、ECG、EEG這3個節(jié)點在具有相同的初始能量及需要傳輸相同的數(shù)據(jù)包情況下，EMG要比ECG、EEG兩節(jié)點的剩余能量要多，且可以看出EMG、ECG、EEG在場景1下均要比場景2中剩余的能量多，因為EMG節(jié)點的傳輸頻率最高，它會在較短的時間內(nèi)完成包的發(fā)送進入低功耗態(tài)，因此其剩余能量最多。

由表6可以看出在一定的初始能量條件下，不同的負載節(jié)省的能量的比例是不同的，可以看出，EMG節(jié)點隨著負載數(shù)據(jù)包的增加，相比于場景2，在場景1條件下節(jié)省了10.6%的能量，因此方案能很好地改善體內(nèi)節(jié)點的網(wǎng)絡生存期難題。

表6節(jié)點能耗百分比

%

節(jié)點類型packetnum500100015002000250030003500EMG0.080.200.370.651.152.4110.6ECG0.090.230.511.206.47——EEG0.120.73—————

4小結(jié)

通過前面的理論分析和仿真結(jié)果顯示，可以看出，中繼星型網(wǎng)絡中的體內(nèi)節(jié)點能耗相對于單跳星型網(wǎng)絡節(jié)省程度可以達到10.6%，本文巧妙地將HBC與MICS技術(shù)，具有自適應調(diào)整功能的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)及基于TDMA的中繼MAC協(xié)議結(jié)合起來應用到WBAN中，很好地降低了體內(nèi)節(jié)點的能耗，延長了體內(nèi)節(jié)點的網(wǎng)絡生存周期。考慮到對WBAN中數(shù)據(jù)隱私性的性能要求，下一步將針對體域網(wǎng)間(WBANs)節(jié)點的安全認證進行研究。

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莫太平(1974— )，博士，主要研究方向為智能控制及模式識別、測試信號處理與分析、FPGA和嵌入式系統(tǒng)；

張希云(1990— )，女，碩士生，主研無線體域網(wǎng)、數(shù)字圖像處理；

王曉輝(1987— )，碩士生，主研無線體域網(wǎng)、IEEE802.15.6MAC層協(xié)議；

聶澤東(1982— )，博士，主研無線體域網(wǎng)、人體通信關鍵技術(shù)。

Dynamic adaptive network researching applied in WBAN

MO Taiping1，2, ZHANG Xiyun1，2, WANG Xiaohui1，2, NIE Zedong1，2

(1.InstituteofElectronicEngineeringandAutomation,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuangxiGuilin541004,China;2.ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnology,ChineseAcademyofSciences,GuangdongShenzhen518055,China)

Abstract:For the WBAN technology is still immature, a new technology solution of WBAN is proposed. Which is used in WBAN combining HBC technology and MISC band. Concerning about the energy binding of the intro-body nodes in body area network, the two-hops star network which has good adaptability based on relay is presented for the WBAN. For the importance of the nodes’ lives cycle in WBAN, a lower energy consumption relay MAC protocol which based on TDMA is proposed. The scheme can satisfy the QoS requirements of WBAN such as the security, the energy consumption and the reliability, and well improve the network lifetime of the intro- body node.

Key words:WBAN; HBC; star network; relay; MICS; adaptation

中圖分類號:TN92

文獻標志碼:A

DOI：10.16280/j.videoe.2016.06.016

基金項目：國家自然科學基金項目(61263013)；智能綜合自動化高校重點實驗基金資助項目(2016)

作者簡介：

收稿日期：責任編輯：許盈2015-09-22

文獻引用格式：莫太平，張希云，王曉輝，等. 應用于WBAN的動態(tài)自適應網(wǎng)絡研究[J].電視技術(shù)，2016，40(6)：85-90.

MO T P，ZHANG X Y，WANG X H，et al. Dynamic adaptive network researching applied in WBAN [J].Video engineering，2016，40(6)：85-90.