人体局域网BAN技术综述

龚镘霖++张彻++周新丽++张越

摘 要：人们对无线网络日益频繁的使用以及电子设备微型化的趋势极大地促进了无线人体局域网的发展。文章通过综述现有的人体局域网BAN资料，从宏观上介绍了人体局域网的体系结构，展现了人体局域网的现状，并且对人体局域网技术在现实中的应用、现存的不足以及未来的发展作了简要介绍。

关键词：人体局域网BAN；无线技术；传感器；通信

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

根据世界卫生组织的统计，人口老龄化正成为一个越来越严重的问题。他们指出，世界老龄人口数目将会在2025年翻倍，也就是说，到2025年，老年人口比例将达到22%。与此同时，生活习惯也使得成千上万的人每天受到肥胖和慢性病的折磨。正因如此，发达国家面临越来越高的医保成本[1]。这种境况若持续下去，现已过度负荷的医保所能带给我们的服务质量必将呈现下滑的趋势，而引入对现行医疗保障体系能有驱动型提高的新兴技术，也就是人体局域网（BAN）成为了必然。

1 区分BAN与WSNs

人体局域网（BAN）是一种新型的网络结构，是对重量轻、体积小、超低功耗以及可以实现智能监控的可穿戴传感器的进一步改造和实现。在人体局域网中，传感器持续不断地监控人体的生理活动和动作，例如健康状况和情感模式。人体局域网需要相应的协议和算法来达到这些功能。然而，尽管已有许多算法和协议为传统的无线传感器网络（WSN）[2]而设计，但它们对于人体局域网特殊的功能和应用需求并不合适。由此我们给出人体局域网（BAN）和WSN的区别，具体见表1所列。

表1 BAN与WSN的比较

BAN WSN

部署节点 允许冗余节点，

节点可触碰性 防止冗余节点，

节点不可触碰

目的 记录人体规律性生理活动 监视事件防患于未然

电池 电池可替换性 电池位置不可达，

替换难度大

结点位置 跟随人体移动性 相对稳定性

波的接受 人体为损耗介质 对介质有选择性

其他 严格保密，高可靠性，

少延迟 相应要求，较为灵活

2 BAN通信体系结构

与其他现存技术相较，如WLAN，BAN通过复杂而普遍的无线计算设备使在人体内部或周围的无线通信成为可能。

图1所示为BAN通信体系的结构图。

图1 BAN通信体系结构

图1给出了基于BAN的健康监视系统的大致结构。ECG（心电图）、EEG（脑电图）、EMG（肌电图）、动作传感器和血压传感器把数据发送到邻近的个人服务设备上，然后，通过蓝牙/无线局域网的连接将这些数据流送到遥远的医生家中进行实时诊断，或者送到一个医疗数据库进行记录保存，再或者送到一个出现了紧急状况的相关设备上。通常，我们把BAN的通信体系结构分成：通信一层（BAN内部通信）、通信二层（BAN相互通信）、通信三层（BAN外部通信）三个部分。这些部分囊括了从低级设计到高级设计的大多数方面并且促成了基于组件且能应用于多方面的高效BAN系统。通过定制设计不同部分的成本、覆盖范围、效率、带宽和服务质量，根据特殊应用的上下文环境和市场需求所提出的特殊要求是可以被满足的。图2所示是与APs相连的具体方式。

2.1 BAN内部通信

BAN内部通信指的是在人体周围2米的范围内进行无线电通信，这一部分可以被进一步划分为：（1）人体和传感器之间的通信；（2）人体传感器和便携式个人服务设备之间的通信。由于和人体传感器以及BANs会建立直接的关系，BAN的内部通信显得至关重要。进一步说，现存人体传感器所固有的电池供电和低比特率的特性使得设计一个带有服务质量条款的有效的媒体访问控制协议成为一个挑战性的问题。

图2 与接APs相连的方式[3]

为了避免互联的无线传感器和个人服务设备所带来的挑战，现存的一些架构比如MITHril[4]和SMART[5]利用电缆直接将多数在市场上可买到的传感器和个人服务设备进行直接连接，如图2（a）所示。

而另一方面，CodeBlue规定传感器不通过个人服务设备而直接与接入点相连，如图2（b）所示。与之前两种途径相比，图2（c）呈现了利用一个星形拓扑的典型结构。在这个结构中，大多数传感器将人体信号传送到个人服务设备上，然后个人服务设备依次将加工过的生理数据传送到一个接入点上。

图2（d）和图2 （e）呈现了相对于二级BAN的优点。在第一级中，大多数有线或者无线的传感器连接到了一个单一中枢处理器上，以此来减少原始数据并且节约能量。这样一来，在数据融合之后，便需要从中枢处理器所传送到个人服务设备的数据规模。但是，这些解决办法也带来了许多挑战，比如高级传感器通过考虑特殊生物医学通信特点来对数据进行加工。例如，文献[6]中采用了一个两级基础的BAN内部通信结构，一个节点从传感器接收型号，并且把它传送到另一个连接在图2（e）中所示的基站的节点上。显而易见，从采纳图2（a）到采纳图2（e）的系统复杂性增加了。

2.2 BAN相互通信

相对于WSNs系统通常是自动运行的，BAN系统很少单独工作。在这部分，我们将“BAN相互通信”定义为个人服务设备和一个或多个接入点（APs）之间的联系。APs可以作为基础设施部署，或者是策略性地布置在为紧急情况而设置的动态环境中。同样的，BAN相互通信的功能是用来使BANs能够和各种在日常生活中容易使用的网络互相联系，比如因特网和细胞网络。

我们把BAN相互通信模范通常细分为两个子目录——基于基础设施的结构和基于特殊情况的结构。基于基础设施的结构可以提供更大的带宽，更集中的控制和更高的灵活性，相对而言，基于特殊情况的结构具有当遇到动态环境可以快速调度的能力，例如遇到医学的紧急情况需要应对或者是在灾区发生突发情况的事件下。

2.3 BAN外部通信

相对于第二层的BAN相互通信，第三层的BAN外部通信是为了BAN在大都市地区的使用而设计的。为了连接BAN相互通信与BAN外部通信，可以使用一个网间连接装置比如PDA来创建一个这两者之间的无线连接。

如图1所示，BAN外部通信层可以通过细胞网络或者因特网来授权个人权威医疗保健员（医生或护士）来获取偏僻地区病人的医保信息从而进一步提高E-healthcare系统的应用和覆盖范围。

数据库同样是BAN外部通信层不可或缺的一个部分。这个数据库主要是存储用户的档案和病史。根据用户的服务优先权和医生的使用权，医生可以在需要时获得用户的信息。与此同时，基于这份数据的自动化通知可以通过各种通讯方式发送给病人的亲属。

对于BAN外部通信层的设计是根据不同的应用所变化的，并且应该要根据用户特殊的需求随时更新。例如，如果根据时刻更新所传输到数据库的人体信号发现了任何异常，一个警告就可以以邮件或短讯的形式通知病人或者是医生。有必要的话，医生或者是其他护理者可以通过网络视频会议与病人进行交流。事实上，医生根据视频交流和病人存储在数据库或由病人穿戴的BAN传感器发送的生理数据信息进行对病人的远距离诊断是有可能实现的。

对于旅游等移动的病人，如果医疗警报被触发，则他有可能正经历生死攸关的境况。通过使用以上结构的BAN通信系统的帮助，应急情况部门可以从医疗保健数据库上搜到所有必要的医疗信息并根据已知的医疗情况来救治病人。

3 BAN的应用领域

不断发展的BAN也有了越来越广阔的应用领域，它与其他无线技术相接触，例如WSNs，RFID技术[7]，Zigbee[8]，蓝牙，WiBree[9]，视频监控系统，WPAN，WLAN，因特网和细胞网络。在这种情况下，更多自动和智能应用将会被视为提高人类生活水平的关键。有诸多应用从BAN和日新月异的无线技术的结合中受益，如图3 所示。

图3 BAN的应用领域

4 信息安全

在BAN中，传感器之间与健康状况有关的信息交流容易出现安全问题，分别体现在以下四个方面：数据保密性，数据权威性，数据完整性和数据新鲜度。

（1）数据保密性：数据保密性意味着被传输的信息是严格属于隐私范围并且只能被授权者获取，比如照顾病人的医生。通常是通过对称或者不对称的密钥来进行加密。

（2）数据权威性：数据权威性提供了保证信息是被所声称是发送者的人发送的。为了达到这个目的，信息认证码通过一个分享的密钥进行计算。

（3）数据完整性：数据完整性可以保证我们收到的是未经篡改的信息。通过证实，信息认证码可以对其进行检查。

（4）数据新鲜度：数据新鲜度保证收到的数据是最近的，并且不是会产生干扰或被替换过的陈旧信息。一个应用得较广泛的方法是添加一个每发送一次信息数值就加一的计数器。

5 其他问题

5.1 能量供应问题

所有的BAN设备由于数据收集、加工和传输都会对能量来源有所要求，合适的能量供应就成了最重要的问题。大多数BAN设备是由电池驱动的，但是单设备植入人体内时，电池是不可能被替换的。因此，类似于远程电池充电的技术就很重要了。除了许多课题正在研究的能量采集器的方法，MIT的研究者们最近报道对电子电力设备通过利用易消散的波[10]进行短距离无线能量传输是可以实现的。

5.2 标准化

有许多科学家正致力于研究互用性台式机远距离医学系统和床边设备，例如Health Level 7和ISO/IEEE11073标准[11]。然而，在保护用户隐私的前提下，使用BAN的智能监控和治疗系统要求适用于非固定的环境，并且可以提供医疗保健点而不用考虑用户位置的标准化规则。在应用或领域级别的互用性协议，例如抽样率，数据精度，连接/断开连接，设备说明书以及术语，都应该制定标准化的用户界面。

6 结 语

人体局域网（BAN）是一个非常有前景的技术，可以预见，它会在下一代医疗保健系统和娱乐领域引起一场革命。但与此同时，它也在可测量性、能源效率、天线设计、服务质量、共存、减轻干扰及安全隐私等方面给我们带来了问题和挑战。随着时间的推进，学术研究将不断深入，这些问题在日后都会一一解决，而我们也会享受到人体局域网带给我们的便利。

参考文献

[1] Patel M， Wang J.Applications， challenges， and prospective in emerging body area networking technologies[J].IEEE Wirel Commun Mag，2010，17（1）：80-88.

[2] Akyildiz IF， Su W， Sankarasubramaniam Y， et al.Wireless sensor networks： a survey[J].Comput Networks，2002，38（4）：393-422.

[3] Min Chen，Serigo Gonzalez，Athanasios Vasilakos，et al.Body Area Networks：A Survey[J]. Mobile Netw Appl，2011（16）：171-193.

[4] Pentland A.Healthwear： medical technology becomes wearable[J].Computer，2004，37（5）：42-49.

[5] Curtis D，Shih E，Waterman J，et al.Physiological signal monitoring in the waiting areas of an emergency room[J].Proceedings of Body Nets 2008.Tempe，Arizona USA.

[6] Baker CR， Armijo K， Belka S，et al.Wireless sensor networks for home health care[J]. International conference on advanced information networking and applications workshops，AINAW，2007（7）：832-837.

[7] RFID[EB/OL].http：//www.rfid.org/

[8] Warren S， Jovanov E.The need for rules of engagement applied to wireless body area networks[Z]. Proc. Of the IEEE consumer communications and networking conference， CCNC 2006. Las Vegas， Nevada.

[9] Bluecore[EB/OL].http：//www.csr.com/bc7/

[10] Kurs A， Karalis A， Moffatt R， et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Science，2007（317）：83-86.

[11] WLAN Interference to IEEE802.15.4[S].z-wavealliance.org. Retrieved n 2007-11-22.