无线体域网技术研究现状与展望*

邓世洲， 高伟东， 胡 炜， 刘景文， 杨贵亮， 刘 帆

(1.北京大学 人民医院，北京 100044； 2.普天信息技术研究院有限公司，北京 100080)

0 引 言

伴随着我国工业化、城镇化、人口老龄化进程的加快，慢性病发病人数快速上升，并逐渐成为居民健康的主要威胁，慢性病预防和管理也成为了重大的公共卫生问题[1]。统计数据显示，当前我国已确诊的慢性病患者高达2.6亿人，慢性病导致的死亡已经占总死亡的85 %，而由慢性病导致的疾病负担已占疾病治疗总负担的70 %。因此，若不及时有效控制慢性病，将会带来严重的社会问题和经济问题。虽然慢性病可能会导致严重的后果，但如果能对患者进行科学有效的生命体征监测，很多重大慢性病是可以提前预知并加以治疗的。无线体域网(wireless body area network，WBAN)的出现，为慢性病患者的健康监测提供了一种简单、低成本的手段[2～4]。基于WBAN技术，通过在慢性病患者体表或者体内布置能自动采集人体心电、脑电、肌电、体温、血压、血糖、血氧等生命体征参数的传感器，实现实时、方便、全天候的健康监测。

WBAN在医疗健康领域有巨大的应用价值，但WBAN中的节点设计必须要符合低功耗[5]、安全保密[6,7]和高服务质量(QoS)的需求[8]。同时，由于WBAN业务是面向医疗健康的，数据传输必须具有安全保密、高QoS特性，以减少个人隐私泄露，保证数据传输可靠性。本文对WBAN关键技术的研究现状进行了综述，介绍了WBAN的标准化和产业化现状，同时对WBAN技术的发展进行了展望。

1 WBAN技术研究现状

1.1 低功耗技术

低功耗对延长WBAN设备的续航时间和减少特定吸收率(specific absorption rate,SAR)均有益处，WBAN的近人体传输特性要求WBAN设备的发射功耗必须严格受限[9]。文献[10,11]评估了体域网应用下Zig Bee协议的功耗，结论是如果不对Zig Bee协议的功耗进行改进，将无法很好地用于体域网场景。文献[12]提出了一种适用于体域网应用的Bluetooth动态调度策略，传感器节点通过自适应地在连接状态和睡眠状态间切换实现功耗节省。BSN-MAC[13]提出了一种自适应超帧结构机制，协调器根据传感器节点反馈的信息自适应地调整保护时隙(guaranteed time slot,GTS)和竞争接入期(contention access period,CAP)的长短，实现减少接入冲突和空闲侦听，达到节省功耗的目的。除了上述针对Bluetooth和Zig Bee技术的改进MAC协议外，近年来,学术界又提出了一些专门应用于WBAN系统的低功耗MAC协议，包括CICADA[14]和H-MAC[15]。CICADA是一种适用于无线多跳、移动WBAN的MAC协议，采用数据即时传输的方式提高吞吐量，减少传输时延。H-MAC是一种多时分址(TDMA) MAC层协议，结合心率监测应用，传感器节点根据心跳节奏自动进行时间同步，节省开启射频(radio frequency,RF)和接收时间同步信息的功率消耗。作为世界上唯一发布的WBAN标准IEEE 802.15.6[16]分别从宏观、微观角度提出了WBAN的功率管理策略。宏观功率管理指的是“冬眠”：当节点在非唤醒超帧内处于非激活状态时，节点进入“冬眠”；微观功率管理指的是“休眠”：当节点在唤醒超帧内且不需接收信标帧时，节点在信标传输时间内处于非激活状态，即进入“休眠”。

除了研究高能效的MAC协议，文献[17]从功率控制的角度追求能耗节省：在信道条件差的时候，在保证满足辐射功率的条件下提高节点的发送功率，以保证数据被正确接收；在信道条件好的时候，适当降低节点的发射功率，以节省能量，延长节点的工作寿命。文献[18]研究了最优化的数据包载荷长度设置，在不同的信道环境下采用不同长度的数据包载荷进行传输，实现最大化能量效率的目标。文献[19]建立了正交幅度调制(MQAM),相移键控(PSK),频移键控(FSK),开关键控(OOK)等调制方式的能耗模型，根据不同的应用场景选择不同的收发机架构和调制方式，实现频谱效率和能量效率之间的折中。

上述文献研究表明：低功耗技术，低功耗设计的思想应该贯穿WBAN系统的各个层面，从单一的协议层或收发机设计进行功率节省无法获得最大化的功率节省，因此,需要研究跨协议层、软硬件联合优化的低功耗设计方法。

1.2 安全保密技术

WBAN所采集传输的数据都是与人体密切相关的生理参数，同时，WBAN中数据的保密性也是必不可少的，因为健康监测数据属于个人隐私数据，必须严格限制仅有授权的用户才能访问和使用。文献[20～22]对WBAN的安全需求进行了分析，提出WBAN系统的安全性目标是确保体征信息的机密性、完整性、容错性、新鲜性及鲁棒性。WBAN中安全性攻击可以分为：1)对机密性和认证的攻击，攻击者采取窃听、欺骗和重放等攻击行为；2)对完整性的攻击，攻击者修改信息内容，导致接收错误信息；3)对网络可用性的攻击，例如:服务拒绝(denail of service,DoS)[23]，攻击者使用这种方式耗尽网络资源。为了对抗WBAN中的攻击，文献[24～26]提出了将时变的人体生理状态信号用于加密算法的输入参数，保证数据传输安全性的方法。

由于传感器节点具有严格的低功耗限制，对抗这些攻击是极具挑战性。如果采用复杂的安全加密措施，势必导致能耗过大，并且容易影响传感器节点的正常通信，进而影响患者体征数据的采集。IEEE 802.15.6体域网标准定义了多层次安全级别(级别0～2)的通信，每种安全级别各自对应不同的保护级别与帧格式[16]:1)级别0：不安全的通信，通信过程中不对数据进行认证，也没有完整性保护；2)级别1：只认证，数据传输在安全认证模式下进行，但数据不加密；3)级别2：认证并且加密，这是最高安全级别的通信模式。文献[27,28]还提出了轻量级的安全性加密机制，可以有效保证隐私数据的安全传输，同时具有低复杂度。文献[29]采用跨协议层的安全机制，从底层直接保证了数据传输的安全性。

从当前研究现状来看，关于WBAN通信的安全保密与隐私性的研究，在集成合适的安全机制之前，必须理解WBAN的不同应用类型的需求，另外还要考虑社会、法律法规的限制，而现有WBAN的研究没有完全考虑这些因素。

1.3 QoS保障技术

现有的针对传统WSNs的QoS保障机制通常都以单一的QoS参数为优化目标，例如:可靠性、时延、数据速率和移动性等，不适合直接应用到WBAN中。为此，Latre B[14]评估了CIADIA协议的可靠性，并在此基础上提出了改进的机制，进一步提高了传输可靠性。Zhou Gang研究了WBAN中的自适应资源调度机制，保证了可靠的数据传输[30]。Otto C通过对WBAN原型系统实际接收性能的评估，分析得出了可能会引起网络传输可靠性下降的因素[31]。Wu Guowei提出了一种信道预留机制，能够在非理想的WBAN信道环境下提高传输的可靠性[32]。Garcia J[33]和Anup Thapa等人[34]将用户优先级分成了若干个等级，在进行信道接入的时候区分用户优先级，保证高优先级的用户优先接入网络。Medwin还定义了多种信道接入方式：定时接入、非定时接入、临时接入和竞争接入(CSMA/CA、时隙Aloha)，分别适用于具有不同类型、不同QoS需求的业务。

关于WBAN的QoS保障的研究，上述文献都是针对单个的QoS性能指标的优化方法，鲜有针对多个QoS性能指标联合优化的研究。WBAN系统对传输可靠性、能量效率、时延的需求高于以往的任何通信系统，这些QoS性能指标同等重要，如果只针对单个QoS性能指标进行优化，往往会导致其他QoS性能的下降，不利于医疗业务的可靠和有效传输。因此，为了保证WBAN中数据的高质量传输，迫切需要研究基于多QoS性能指标的多目标联合最优化方法。

2 WBAN标准

IEEE 802.15工作组早在2007年就成立了TG6工作小组，开展对WBAN的标准化研究，并于2012年3月发布了世界上首个WBAN标准——IEEE 802.15.6。美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)于2013年2月通过了IEEE 802.15.4J标准[35]，该标准以IEEE 802.15.4为蓝本，定义了在2 360～2 400 MHz频段上满足医疗业务需求的增强型物理层和MAC层技术。为了适应中国医疗频段(174～216，407～425，608～630 MHz)的特性，IEEE 802.15成立了TG4n工作组[36]，制定适合中国医疗频段的物理层标准和适配的MAC层标准，目前该标准仍在制定过程中，将于2014年底完成。在国内，中国通信标准化协会(CCSA)也于2012年11月通过了研究立项“适用于医疗健康应用WBAN通信技术要求”[37]，目标是制定适用于我国医疗健康应用频段和应用需求的WBAN行业标准。全国信息技术标准化技术委员会无线个域网工作组也于2013年11月决定开展医疗体域网立项的研究工作，制定WBAN技术的国家标准。

除了以上新制定的WBAN标准外，一些成熟的无线个域网通信标准和无线局域网标准也在适时地进行了演进，以满足物联网应用(包括WBAN应用)的需求，力求抢占短距离无线通信市场。蓝牙技术联盟于2010年6月底推出了主打低功耗的蓝牙4.0版本[38]，该标准获得了产业界的大力支持，康体佳健康联盟已经批准将蓝牙4.0作为其低功耗局域网通信的新标准。为了构建智慧、低功耗的物联网，蓝牙技术联盟又于2013年12月正式发布了蓝牙核心规格的更新版本—蓝牙4.1版本，蓝牙4.1版本支持与3GPP LTE的并存，并且提升了数据传输速率，从而改善消费者使用体验。此次协议更新还能使蓝牙设备支持多种角色，辅助开发者创新开发，从而巩固蓝牙技术在无线物联网连接中的地位。WiFi联盟也于2010年启动了面向物联网的WLAN技术标准制定，即802.11ah。该标准使用1GHz以下免许可频段，具有覆盖范围更大、支持更多用户、更低功耗、针对中低速率进行优化增强等特点。

3 WBAN产业化

为了探索WBAN技术在医疗和保健领域的优势，学术界对WBAN的应用进行了大量的尝试，各种WBAN系统纷纷涌现。哈佛大学的CodeBlue项目[39]基于TinyOS操作系统开发了一系列用于医疗健康监测的硬件平台，包括无线血氧饱和度监测设备和无线心电图监测设备。比利时微电子研究中心(IMEC)和IMEC-NL联合发布了一整套无线人体监测系统，包括无线脑电图(electroencephalography,EEG)、无线心电图(Electrocardiography,ECG)以及无线睡眠监控系统[40]。欧洲的Mobi-Health项目[41]开发了一个端到端的移动健康监测平台，通过通用移动系统(UMTS)和通用无线分组业务(GPRS)网络对患者进行动态的体征监测。SMART[42]项目研发了用于对急诊等待区患者进行无线监测的生命体征监测系统。国内的众多高校和科研院所，包括中国科学院[43]、北京理工大学[44]和上海交通大学[45]也相继研发了基于WBAN的远程健康监测系统。在产业界，WNAB产品已被广泛应用于医疗和保健领域。美国圣地亚哥医院采用基于Zig Bee技术的WBAN产品管理医院内的设备，使设备使用率从68 %提高到了90 %，丢失率从14 %降到0。拉斯维加斯老人寓所采用WBAN技术，通过跟踪老人的日常活动，保证老人在突发疾病时获得及时救助。

从目前的产业化现状来看，WBAN在医疗保健领域的潜能还没有完全释放。一方面，在世界范围内尽管已经存在多个WBAN标准，但由于大部分标准都是由少数公司或科研机构推动，知识产权掌握在个别单位手中，已发布的标准缺乏产业链全员参与的热情，正在制定中的标准也是由个别公司或科研机构推动，标准发布后注定摆脱不了被冷落的命运。另一方面，WBAN缺乏医疗保健产业链的合力，仅依靠单个环节的努力无法推动WBAN技术的广泛应用，需要医疗服务提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士开展战略性合作。从目前的现状来看，WBAN在医疗领域的推广和应用前景不容乐观。但近几年WBAN在消费电子领域却蓬勃发展，主流的互联网公司、通信设备公司以及消费电子产品公司都发布了自主研发的穿戴式设备，包括各种智能腕表、手环、眼镜等。可以预见，WBAN一定会有光明的前景和未来。

4 结束语

本文对WBAN通信关键技术研究和产业化现状进行了分析。从WBAN通信技术的研究现状来看，尽管关于WBAN通信技术的研究层出不穷，但是从目前来看，WBAN技术仍然还不成熟，主要体现在低功耗、安全保密和QoS等方面，这些因素成为了制约WBAN技术实用化和大范围推广的瓶颈。从WBAN的标准化和产业化现状来看，市场上缺乏杀手级产品的出现，距离大规模产业化还存在很大空间，未来WBAN技术在产业化方面还有大量工作要做，需要WBAN全产业链的通力合作。

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