医疗体域网研究进展

【作 者】张春青，邹卫霞，李斌 ，刘月桂

1 中国食品药品检定研究院，北京，100050

2 国家食品药品监督管理局医疗器械标准管理中心，北京，100050

3 北京邮电大学，北京，1000876

0 引言

当今世界老龄化问题日趋严重，如何实时有效地监测老龄群体的身体状况，成为全球普遍关注的问题。无线体域网（Wireless Body Area Network，WBAN）的提出则有望缓解这一难题[1]。WBAN工作区域集中于人体附近，其覆盖范围小于无线局域网和无线个域网，其最大通信距离约2 m。WBAN的最初应用主要在医疗保健领域，尤其是用来连续监视和记录慢性病(如糖尿病、哮喘病和心脏病等)患者的健康参数，提供某种方式的自动疗法控制。目前来看，WBAN仍处在早期发展阶段，在低功耗、网络间互操作性、系统设备、数据安全性、传感器实现等方面面临一系列挑战[1]。为了使WBAN应用于医疗保健领域长期监视和记录人体健康信号成为可能，医疗设备设计与提供商、医院及工业界正在展开战略性合作。为了建立全球统一的WBAN标准，IEEE802.15专门设立BAN标准组SG-BAN和第6任务组TG6，讨论议题包括WBAN常用模型、标准问题及候选技术等[2]。中国医疗体域网(Medical Body Area Network, MBAN)研究组也于2011年8月正式成立，预计2012年3月将转为工作组，全面负责中国MBAN标准的讨论与制定工作。有关WBAN的研究正在全世界范围内迅速展开。

1 WBAN分类

根据WBAN网络节点的携带方式，进一步将WBAN分为可穿戴式BAN(wearable BAN)与植入式BAN(implantable BAN)两种。从传输角度看，WBAN致力于提供高效、可靠的网络数据、语音以及图像传输；从功能角度分析，WBAN主要分为下面三类。

(1)WBAN为自动化医疗、自助护疗及人体重要生理参数的测量提供辅助[1-2]。首先，利用附着于人体身上的诸多传感器采集不同生理特征的数据，将这些数据发送至决策单元；然后，基于上述信息，决策单元指定相应医疗措施；最后，决策单元通过传达指令给执行单元，使其采取相应的医疗措施，例如调整心脏起搏器的工作频率，注射胰岛素以平衡血糖浓度。因此，WBAN主要功能在于利用传感器节点收集并发送采集数据。典型的生理参数及指标主要包括：心跳、血压、心电图、脑电图、体温以及血糖浓度。

(2) WBAN可用于辅助残疾患者。例如，对于视力障碍的患者，可在墨镜或拐杖上安装图像采集设备，而采集获得的图像信息可利用WBAN发送至便携式的主信号处理器，由它解析这些图像信息，从而为患者提供目标地找寻、行进引导等。在更为精细的应用场景中，WBAN将采集到的有关手指相对变化的信息发送至主处理单元，进一步解释成相应的语音信号，将有望用于有语言障碍的患者。

(3)工业及制造业也可利用WBAN规范一线工人工序流程，保证安全有序的生产。

2 WBAN研究现状

与其它短距无线通信技术相比，紫峰(Zigbee)、蓝牙(Bluetooth)及超宽带(Ultra Wideband，UWB)成为WBAN主要候选技术。由于Zigbee和Bluetooth与无线局域网IEEE.802.11a处于相同工作频段(2.4 GHz)，且蓝牙系统能同时容纳的辅节点数量有限，因而这两种技术应用前景不乐观[3]。相比之下，UWB具有超低功耗传输特性(＜-41.3dBm/MHz)和高速数据传输潜力(480 Mbps)，成WBAN候选技术中的研究热点，包括一些业已实现的WBAN设备原型，均采用UWB技术[3-5]。

鉴于WBAN的特殊工作场景(人体及周围附近)，超低辐射功率成为WBAN的最基本要求，因为WBAN不能对人体产生强电磁辐射，亦不能干扰其余无线通信系统，例如人体周围的无线局域网。要求WBAN传输技术具足够高可靠性。由于WBAN绝大部分应用热点集中于医疗保健领域，而用于医学诊疗及监护的相关数据事关人的生命与健康，其重要性不言而喻，微小传输错误即可导致难以估量的严重后果。WBAN数据传输亦要求实时性，即要求采集信号具有很小的传输时延。尽管某些场景下有关病人的监护数据允许一定时延，但通常不能超过一定范围，否则后果也将非常严重。最后，考虑人体移动性和系统实用性，诸如低成本、高安全、大规模、低功耗和小体积，也是WBAN设备的必备条件[1]。从当前研究来看，有关WBAN研究主要集中于以下几个方面。

2.1 体域网信道建模

WBAN信道传输特性和天线设计，目前集中于如何针对人体环境下，研究UWB频谱范围内电波传播特性(Propagation Characteristics)，以及优化接收机的结构和天线模式/结构。在1.5 GHz～8 GHz频谱范围内，需要考虑电磁波的直接传输、表面波、反射和衍射，因而对于WBAN传播特性测量与信道建模成为相当困难的问题。文献[6]在人体环境下，对WBAN不同工作频段，利用网络矢量分析仪进行了信道测试。WBAN信道显著区别于传统无线信道，它包括室内环境下多径密集的UWB信道，因而呈现出更加复杂的传播特性。这主要归因于人体周围特殊环境：除了沿着人体方向传播以外，还包括人体周围的绕射及附近空间的反射[7]；对于高频段信号，沿人体方向传播的路径可基本忽略，因而WBAN传播中主要包括人体绕射和环境反射两部分。

在室内环境下，身体各部分的传输路径损耗也不尽相同。① 从大尺度路径损耗的角度将人体分为三类子信道[7]，分别对应于前身、侧身和后背；② 从功率时延剖面分析来看，WBAN多径信道呈现分簇特性，多径信道基本包含两簇[8]，第一簇对应于经绕射后抵达的传播信号，第二簇则主要对应于周围环境反射信号，但第二簇衰减速率超过第一簇[6]。③ 从到达时间特性分析，文献[7]从累计密度函数的角度分析，获得Weibull分布能更好地符合实测数据。④ 从小尺度衰落分析，文献[9]利用Akaike准则从两个概率密度函数匹配的角度得出，对数正态分布能最佳体现WBAN小尺度传播特性。除此之外，文献[10]和[11]根据人体特征建立了RC电路模型，用以描述人体近场特性；文献[9]则淡化子信道的特性，提出了一种简化WBAN信道模型；文献[12]研究了Multipleinput Multiple-output (MTMO)信道；文献[13]综合研究WBAN天线和传播信道的物理特性，借以提高物理层传输的性能。

为了衡量各种关键算法的有效性，真实模拟WBAN信道显得至关重要。但目前尚未形成有关WBAN信道的统一标准，大量文献针对特定频段和特殊场景进行的实测报告也存在差别。人体近场信道相对普通的无线信道要复杂得多，需考虑电磁波直接传输、表面波、反射和衍射等问题。同时，在不同测试场景下信道功率时延和路径损耗不尽相同，给研究理论仿真带来挑战。在拓扑分区的技术上，研究将对人体近场复杂的WBAN信道进行简化，获得一个简化分析仿真，但又能体现WBAN传播特性的信道模型，可利用传统抽头延时线简单加以实现。如图1所示，其中{vi}表示服从对数正态分布的阴影衰落因子；指数加权项代表均匀分布的相位特征；{vi}则代表服从分段指数衰减的多径增益；PL(d)为大尺度路径损耗。相应地，简化信道模型信道冲击响应如图2所示，可见简化的WBAN模型能充分体现人体近场的传播特性。

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

图2 简化的WBAN信道冲激响应Fig.2 Simpli fi ed channel impulse response of WBAN

2.2 体域网传输技术

有关WBAN传输机制的研究，包括功率控制、协作中继以及MIMO等。文献[6]针对人体坐立姿势下WBAN信道进行研究，在此基础上提出协作WBAN(Cooperative BAN, CoBAN)策略。通过分析单跳协作网络中独立多径分量，指出采用简单的协作机制可有效增加分集维数，从而提高WBAN的信道传输性能。文献[14]提出一种适用于WBAN的功率控制机制，借助于实验开发平台，通过主处理器发送反馈信息给WBAN传感节点。实验结果表明，利用简单的功率控制机制可节省功率达14%-30%。文献[12]研究了频率-空间-极化对于WBAN中MIMO的影响，与常见多天线系统显著不同之处在于，增大多天线之间的物理距离并不能保证系统容量提升。文献[15]则研究了WBAN中RAKE接收机在单跳和多跳下的传输性能。文献[16]则采用载波侦听多址接入方式Carrier Sense Multiple Accessc(CSMA)，以WBAN中两跳网络为例，对其系统性能进行了研究。基于CSMA的载波监听多址接入机制存在较大的传输时延，在实时健康检测场景下显然难以满足要求。

MIMO技术的引入，有可能降低WBAN信道对于传输性能的影响。但在前身-后身传输场景下，多个天线间的空间距离同时影响接收信号的功率平衡性与独立性，简单采用MIMO技术难以有效改善WBAN系统性能[12]。同时从硬件复杂度与制造成本来看，WBAN传感节点采用MIMO亦难以接受。

2.3 体域网多址技术

如何利用有限的资源(例如无线频带和时间)提供WBAN网络中多个用户同时接入，即提供良好的多址性能，也是体域网研究中面临的重要问题。当前主流WBAN技术均采用星型网络，诸多WBAN传感节点要与主节点直接进行通信。若多个WBAN节点同时与便携式处理器通信时，则存在多用户干扰问题。文献[17]从计算机仿真的角度，研究了WBAN中多个传感节点同时与主处理器进行通信时的多用户干扰问题。研究显示，当干扰节点大于5时，系统性能将受到很大影响。文献[18]对采用多用户检测技术的WBAN网络性能进行了研究，表明在多用户情况下，多用户检测性能要明显优于Rake接收性能。然而，由于该算法需依据训练序列，并引入了反馈机制，使实现算法复杂度大大增加。因此，如何有效消除WBAN多用户干扰问题，有待进一步深入研究。

从网络拓扑角度看，当前主流WBAN技术均采用星型网络结构，即各WBAN传感节点通过单跳方式与主控制器进行直接通信。这种星形网络不可避免地存在从前身-后身传播路径，此时由于复杂的传播机理(例如人体绕射与周围环境反射)与极强的传播损耗，这种前身-后身的信道成为限制WBAN网络传输性能的关键因素。文献[6]引入简单协作以缓解WBAN信道的影响，一定程度上改善了WBAN传输性能，但这种简单的中继机制并未充分利用人体特征优化网络拓扑，前身-后身传播性能仍有待提高。

3 研究展望

通过对研究现状分析可知，目前无线体域网中首先需建立一个高效优化调度机制。将WBAN网络中主控制器负责其余WBAN传感节点的调度问题，类比为计算机体系结构中中央处理器的任务调度模式。基于优先级轮询的调度方式，可望解决现有的WBAN调度算法存在的诸多问题。此方式能减少整体时延，且利用优先中断机制也可保证重要生理数据的即时传送。另外，针对MIMO技术用于WBAN时潜在的诸多问题，基于协作中继模型建立虚拟MIMO机制，有望解决MIMO中多根天线间空间相关性与功率均衡性的固有矛盾，获得理想的分集增益。并在此基础上，提出空间分集，利用波束赋形所提供的空间指向性，来提高WBAN中数据传输的有效性。

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