无线体域网 （1）

陈文

[编者按]无线体域网是个人健康信息采集与传输的重要技术手段之一，具有重要现实意义和产业化前景，受到工业界、学术界和标准化组织的广泛关注。另外，IEEE 802.15.6 协议标准是目前国际上公认的一款适用于健康信息采集的未来超短距无线体域网协议标准。讲座将分3期对该技术进行介绍：第1期讲述无线体域网的背景、研究动态和技术特征；第2期对无线体域网的频段选取、信道建模、MAC层协议、通信技术和数据处理技术特征进行介绍；第3期介绍无线体域网的节点设计、数据采集和应用场景的相关问题。

1 无线体域网的背景

目前，人口高龄化是一种全球性的发展趋势。根据联合国的调查预测，2030年中国65岁及以上高龄人口将占总人口的15.7%。全球人口老龄化以及医疗成本上升导致世界卫生保健基础设施的紧张。根据卫生部的统计，现在中国60岁以上的老人已经超过1.8亿，而且每年还以500万～800万的数量不断增加，人口老龄化所带来的慢性疾病、医疗保健以及老年生活质量等问题已经成为中国社会发展的重要挑战。由于疾病负担的加重，医疗保健系统将无法提供足够的专业人士来照顾病人。同时，由于便利或成本的原因，越来越多的人会不选择去医院，希望能通过无线传感网络获得医疗帮助。因此，医学的进步、人类寿命的延长以及人们对自身健康的关注，将推动基于无线个域网（WPAN）和无线体域网（WBAN）的电子健康解决方案的研发。

图1是BAN的整体架构。WBAN是以人体为中心，由和人体相关的网络元素（包括个人终端，分布在人身体上、衣物上、人体周围一定距离范围如2 m内、甚至人身体内部的传感器、组网设备等）组成的通信网络。通过WBAN，人体传感器可以和其身上携带的个人电子设备如PDA、手机等进行通信；通过WBAN和其他数据通信网络（比如其他人的WBAN、无线/有线接入网络、移动通信网络等）组成一个整体通信网络，它能够和网络上的任何终端如PC、手机、电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等进行通信。WBAN将把人体变成通信网络的一部分，从而真正实现网络的泛在化。可穿戴计算和泛在计算也将随着WBAN的普及应用成为人们日常生活的基本特征。WBAN目前仍处在发展早期阶段，在毫瓦级网络能耗、互操作性、系统设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战，但由于WBAN的重要性及对未来医疗保健和助老助残等社会问题的深远影响，越来越多的人员投入到WBAN的研究中。为了让WBAN 成为医疗保健领域长期监视和记录人体健康信号的基本技术，医疗技术提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士正在开展战略性合作。

2 无线体域网的研究动态

在工业界，全球已有很多与WBAN相关的项目正在研究中。在欧洲，FP7 REACTION 项目的研究目标是开发一个技术平台和试点应用，用来提高病人体内和体外的糖尿病防控。FP7 WEARBAN项目是为低功率的体域网（BAN）引入一个智能的接口，这样BAN系统就可以安装在智能衣服、复原机器人或者视频游戏中增加真实性等应用上。FP7 WISEBED 项目是为大规模的无线传感器网络提供一个多层次、相互链接的测试设备平台，该项目主要用于科研，将硬件、软件、算法和数据有机地结合了起来。它用来阐述不同结构的小型设备和测试床如何能够很好地结合成大规模的结构，而不是简单的大型网络。另外，WiserBAN 项目主要研究适用于WBAN中的超小型和超低能耗的射频（RF）微系统，研究的重点是用超低能耗的片上系统、RF和低频率的微机电系统（MEMS）、微小的可重构天线、微小的包系统、传感器信号处理系统和可变的通信协议来实现WBAN的微缩化。中国也开发了用于中医脉象信息收集及分析的无线网络远程医疗系统，该系统通过搭建一种新的WBAN网络，应用无线通信技术、轻量级的数据融合模型以及一系列处理、分析和识别算法，采集中医脉象信息、抽取脉搏波波形特征点，智能处理和分析特征点信息，并给出诊断结果（如高血压和冠心病等）。

在学术界，英国帝国理工大学开展了对WBAN中情景感知和周围环境感知的研究；美国加州大学和伯克利大学等重点对WBAN可穿戴性、可扩展性和资源优化等进行研究；中国香港中文大学等基于多种通信方式构建混合的WBAN，并对移动WBAN中跟踪和能量感知多媒体介入控制（MAC）进行了相关研究；韩国信息通信大学等从低能耗和通信的角度构建新型的WBAN系统；新加坡国立大学等对WBAN的架构展开了深入研究；上海交通大学研制了对肠胃数据获取的微型机器人和对人体体温、血糖、血压等身体指标感知传输系统；中国科学院计算技术研究所构建了新型的WBAN平台并对WBAN中数据融合技术展开了研究；中国科学院自动化研究所研究WBAN对人体活动的监控。此外，中国台湾以及世界的其他地方如加拿大、德国、爱尔兰、巴西、比利时和瑞士等地区或国家在WBAN的自适应性和可调节性、中间件、信号处理算法、健康及活动监控和网络可靠性等方面的研究也取得了进展。

在标准化方面，推进近距离无线通信标准化的IEEE 802.15工作组2012年正式批准了由人体周边配置的各种传感器及器件构筑的近距离无线网络的标准IEEE 802.15.6[1]。WBAN的标准化讨论从2007年开始，经过约5年时间终于完成了标准制订工作。这无疑对WBAN的规范化、标准化发展有所助益。

3 无线体域网的技术特征

WBAN是一个交叉技术领域，和WPAN、无线传感器网络（WSN）、泛在传感器网络（USN）、无线短距离通信以及移动通信都有密切的关系，并且具有非常广泛的应用前景和巨大的市场潜能。一般意义上的WPAN 是指个人通信设备（如PC、手机、媒体播放器、PDA、数码相机等）之间的联网和通信。而WBAN则是各种放置在体表、人体周围、植入人体的传感器和个人通信设备之间的数据通信。WSN目前的应用很广泛，远程医疗诊断和监护其实是WSN 的一个非常重要的方面。传感器网络的泛在化导致了USN的出现。USN 其实是一种面向应用和业务的体系架构，通过这种公共的架构可以支持各种传感器网络和IP 的公共数据网络相互连通，实现固定与移动的融合（FMC），并提供各类业务和应用。和其他的短距离无线通信技术相比，WBAN 要求在相同的功率下，数据传输速率更高；或者在相同的数据传输速率下，需要的功率更低。传感器技术是WBAN 的重要基础，小型化、智能化、高精度、低功率的各类传感器是支持WBAN 的必要条件。尤其对于植入到人体内部的传感器，低功率是非常关键的性能。这些传感器只能靠电池来驱动，有限的电池能量需要在相当长的传感器生命周期内支持传感器的正常工作。因此，WBAN 中的传感器，有的具有从周边环境自动收集能量的能力，比如利用人体组织的热量转换电能等[2-4]。

虽然移动通信网络、WSN 和WBAN 三者之间相互关联，但由于应用领域的不同，它们也存在很多不同之处：比如在流量特征上，移动通信网络主要是高比特率的多媒体数据，WSN是和应用相关的零星突发的数据，而WBAN 是存在持续数据量的，并且比特率比较低；在网络拓扑方面，移动通信网络在基础架构上是基本不变的，WSN 支持随机和动态的拓扑结构，WBAN 也需要支持动态的网络拓扑；在对于能源的需求方面，WSN 和WBAN 都要求电池能够使用数年，对低功耗要求较高；在总体设计思想上，移动通信网络追求的是高带宽利用率、高频谱利用率、服务质量（QoS），而WSN 和WBAN 都首先要追求高能量有效性、网络的自主操作性和成本低廉，除此之外从抗干扰和保护人类健康的这两个角度出发，WBAN还要求对于电磁干扰具有良好的屏蔽能力。

WBAN的通信性质与其他方式的通信不同。其中一个显著的区别是，由于不同的天线及其布局以及身体的移动性，WBAN 的射频信道具有在延迟和衰减中的可变性，并依赖于人体的物理特性。体质和身体的运动会影响接收端信号的强度。WBAN中常用的3种节点是：

· 体表节点，是指安置在距离皮肤2 cm以内的节点。

· 植入节点，指安置在皮肤以下的节点，它可以在皮下或人体组织的深处。

· 外部节点，指安置在人体以外（从几dm到5 m不等）的节点。

而基于通信节点的实现场景可分为：体表到外界，体表到体表，植入物到外界，植入物到体表，植入物到植入物。而人体上两点间的通信电波是非平稳的，即便是在静止的条件下，身体还是会有细微的运动。在正常的运动下，变化会非常剧烈，特别是在参加体育运动时，变化会异常剧烈。因此，电波的描述一方面要与身体上的终端位置变化有关，另一方面也要与几何环境的动态变化有关。几何环境的变化会影响天线的运作，特别是输入匹配和传输模式的运作。天线和传输损失的变化是可以利用的，并以此达到最大的信道容量和最小的功率消耗。因此，无线信道建模与分析是研究WBAN的一个重要基础。

WBAN中MAC层和PHY层的高层特征可以概括为如下：

· 根据不同的应用，功率消耗应允许自供电运行时间从几个小时到数年不间断。

· 当需要的时候，安全性需基于能量有效性，它应能以最小的开销支持基本的身份认证、数据完整性和密码操作。

· WBAN和其他通信环境的共存，以及医疗环境下的BAN 间共存（电磁兼容性/电磁波吸收比值）。

· 电磁干扰（SAR）进入人体必需满足相关监管规定。

· WBAN应能恢复链路和节点故障造成的数据损失。

在WBAN的某些应用中，设备必须不间断地运行数月甚至数年，而另一些时候电池需工作数十小时。这依赖于设备的大小和应用的场景。比如，心脏除颤器和起搏器都可以工作超过5年，相反吞咽式的摄像药片只有12 h的生命周期。绝大部分非医疗设备都要求非工作状态下，设备可以待机100～200 h，激活工作时间为数小时。超低功耗是植入设备长时间工作的一项重要要求。在一些应用中，要针对其设计功率限制方案。峰值功率消耗和平均功率消耗需最小化以支持微小电池和最大化电池寿命。最基本的方法就是让不常用的组件在绝大部分时间不占用资源。一个有效的管理方案是使得元件的占用资源时，尽量减少空闲，减少干扰，控制和错误。对于低占空比的元件，应当进入睡眠模式。简而言之，PAN和BAN的功率控制可能是关系到一个人的生命的重要问题[5]。

另外，在WBAN的应用中需要考虑到当身体在移动时，节点需有可靠通信的能力。由于不稳定的信道状态引起的网络数据容量下降是允许的，但是不能造成数据的丢失。上述的应用可能包括由于走路、挥动手臂、跑步、弯腰、旋转、跳舞或者坐立等引起的身体移动，从而导致信道衰落和遮挡效应。单独的节点可能会相对其他节点移动，而整体的WBAN可能会产生绝对的位移。这种绝对的位移会产生变化的干扰和共存环境。同时，BAN 设备需要与其他的BAN设备或者传统装置共存。这些设备可能需要在由物理层引起的干扰环境或者进入物理层的干扰环境中操作。这些特性可能由高层次（物理层以上）来协调。这些设备需要能够在高噪声、高多径和动态的环境中操作。物理层需要能够支撑一定程度的信道间和信道外干扰。医疗BAN应用涉及大量的隐私、人体安全性，甚至关联到财产问题。安全和隐私是病人、医生和医疗服务提供者主要考虑的因素。在传输加密的人体生理数据的时候，需要避免病人数据被串音。当网络容量超出了系统容量的时候就会发生拒绝服务（DoS）。DoS的发生与恶意用户的故意行为和无意过度使用网络紧密相关。

综上所述，医疗信号涉及到身体健康的关键因素，对于可靠性、准确性、安全性和一些延迟等有着非常严格的要求。 （待续）

参考文献

[1] IEEE Computer Society. IEEE Standard for local and metropolitan area networks—Part 15.6： Wireless Body Area Networks[S].

[2] Drude S. Requirements and application scenarios for body area networks[C]//16th IST Mobile and Wireless Communications Summit， Budapest， Hungary， 2007.

[3] Gyselinckx B，Vullers R， Van Hoof C， Ryckaert J， Yazicioglu R F， Fiorini P， Leonov V. Human++： emerging technology for body area networks[C]//2006 IFIP International Conference on Very Large Scale Integration， Nice， France， 2006.

[4] Jovanov E. Wireless technology and system integration in body area networks for m-Health applications[C]//27th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society， Shanghai， China，2005.

[5] Pattichis C S， Kyriacou E C， Pattichis M S， Panayides A， Mougiakakou S， Pitsillides A， Schizas C N. A brief overview of m-Health e-Emergency Systems[C]// 6th International Special Topic Conference on ITAB， Tokyo，Japan， 2007.