（信息与通信工程专业论文）无线体域网wban通信关键技术研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生毕业论文 摘要 摘要 下一代无线通信网络正在蓬勃的发展，其中无线体域网( w b a n ) 将逐渐在未来的通信中 占据重要的位置。w b a n 是一个靠近人体或者植入人体的设备之间的通信网络，它能够提 供一系列的应用包括医疗支持、健康监护和消费电子等，给使用者提供了很大的便利性和 舒适度。 目前w b a n 的研究仍处于初级阶段，i e e e8 0 2 1 5 委员会专门成立了w b a n 的任务小 组t g 6 ，致力于w b a n 的研究和相关标准规范的出台，本论文就此展开研究，分析了当 前的研究动向，针对w b a n 的m a c 层提出了自己的思想和相关的w b a n 标准建议。 论文首先介绍了w b a n 的基本结构、特点和应用，研究了i e e e8 0 2 1 5 t g 6 小组拟定 的w b a n 的技术要求草案，分析了为了开发适用于w b a n 的协议而提出的模块化架构， 然后主要研究了目前为w b a n 而设计的、满足能量有效性和低时延技术要求的跨层协议： w a s p 和c i c a d a ，在此基础上提出通过重复父节点机制来改进可靠性的方案，并通过n s 仿真验证了方案的可行性。最后，总结了论文并对w b a n 的发展前景进行了展望。 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si sd e v e l o p i n ge n o r m o u s l y a m o n g t h e m ，t h ew i r e l e s sb o d ya r e an e t w o r k ( w b a n ) w i l lb e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti nt h e f u t u r ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s w b a ni st h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e t w e e nt h ed e v i c e s w h i c ha r ec l o s e dt oo ri m p l a n t e di nh u m a nb o d y ；i tc a l lp r o v i d eaw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n s m e l u d i n gm e d i c a ls u p p o r t ，h e a l t h c a r em o n i t o r i n g ，a n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s 谢t 1 1i n c r e a s e d c o n v e n i e n c eo rc o m f o r t c u r r e n t l yt h er e s e a r c ho nt h ew b a n i sa tt h ej u n i o rp e r i o d ，t h es p e c i a lt a s kg r o u pt g 6i s s p e c i a l l yo r g a n i z e db yi e e e8 0 2 15 ，a i m sa tt h es t u d yo fw b a na n dw o r k i n go u tt h ec o r r e l a t i v e s t a n d a r d s t h e nt h et h e s i st a k e ss t u d yo nt h e s e ，a n a l y z e st h ec u r r e n tr e s e a r c ht r e n d s ，a n d p r o p o s e ss o m ei d e a so nt h em a cl a y e ro fw b a na n ds e v e r a lr e l a t e ds u g g e s t i o n so nw b a n s t a n d a r d s t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h eb a s i ca r c h i t e c t u r e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so f w b a n ，t a k e sr e s e a r c h so nt h ed r a f to ft e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fw b a nw h i c hi sd r e wu pb y t h et g 6 ，a n da n a l y z e st h em o d u l a rf r a m e w o r kw h i c hc a nb eu s e da sd e s i g n i n gm e t h o do f w b a np r o t o c 0 1 t h e nt h et h e s i sp r e s e n t st w oc r o s s - l a y e rp r o t o c o l s ：w a s pa n dc i c a d a ，t h e y a r ed e s i g n e df o rr e a l i z i n gs o m et e c h n i c a lm q m m m e n t ss u c ha se n e r g ye f f i c i e n c ya n dl o wd e l a y , t h u sam e c h a n i s mw h i c hr e p e a t st h es c h e m eo fp a r e n ti sp r o p o s e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h ew b a ns o o na f t e ra n dn ss i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h e m e c h a n i s m f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ew h o l ea r i t i c l ea n dm a k e sa ne x p e c t a t i o no nt h e d e v e l o p m e n to fw b a n 1 1 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：业日期：二兰幽 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。 论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名： 睦纽 导师签名：叠监 日期： 簟：生：! 呈 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第1 章绪论 1 1w b a n 概述 第1 章绪论 无线体域网( w b a n ，w i r e l e s sb o a ya r e an e t w o r k ) ，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、植入人体内部的传感器及组网设备等) 组 成的通信网络。通过w b a n ，人可以和其身上携带的个人电子设备( 如p d a 、手机等) 进行 通信、数据同步等。w b a n 可以和其它数据通信网络( 比如其他人的w b a n 、无线有线接 入网络、移动通信网络等) 成为整个通信网络的一部分，和网络上的任何终端( 如p c 、手机、 电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等) 进行通信【l 】。w b a n 技术把人体变成通信网 络的一部分，从而真正实现网络的泛在化、可穿戴的计算，无所不在的计算也将随着w b a n 的普及应用成为人们日常生活的基本特征。 1 2w b a n 通信与未来无线通信 无线体域i n ( w b a n ) 是当前一个重要的技术热点，是一个交叉技术领域，和无线个域网 ( w 刚) 、无线传感器网络( w s 、泛在传感器网络( u s n ) 、无线短距离通信以及移动通信 都着有密切的关系，并且具有非常广泛的应用前景和巨大的市场潜能。图i - i 显示了w b a n 和w p a n 、w s n u s n 、无线短距离通信、传感器技术之向的交叉关系。 w b a n 图1 1w b a n 多领域交叉 目前业界倾向于把w b a n 归为w p a n 的一个分支，i e e e8 0 2 1 5 ( w p a n ) 委员会已经为 w b a n 设立专门的任务小组t g 6 1 2 1 。一般意义上的w p a n 是指个人通信设备( 如p c 、手机、 媒体播放器、p d a 、数码相机等) 之间的联网和通信。而w b a n 则是各种放置在体表、人 l 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第l 章绪论 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【3 】。 w s n 目前的应用很广泛，远程医疗诊断和监护其实是w s n 的一个非常重要的方面。 传感器网络的泛在化导致了泛在传感器网络s n ) 的出现。u s n 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全i p 的公共数据网络相互 连通，可以实现固定与移动的融合( f m c ，f i x e dm o b i l ec o n v e r g e n c e ) ，提供各类业务和应 用。目前i t u t 已经进入到u s n 标准化研究的初始阶段。 短距离无线通信技术是传感器和终端设备之间、以及在短距离内终端和终端之间通信 的主要方式。目前有很多相关的技术( 如u w b 、z i g b e e 等) 可以支持短距离通信。和其它的 短距离无线通信技术相比，w b a n 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w b a n 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w b a n 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，w b a n 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。 虽然移动通信网络、w s n 和w b a n 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， w s n 是和应用相关的零星突发的数据，w b a n 是存在持续数据量的、比特率比较低；网 络拓扑方面，移动通信网络在基础架构上是基本不变的，w s n 支持随机和动态的拓扑结构， w b a n 也需要支持动态的网络拓扑；在对于能源的需求方面，w s n 和w b a n 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、q o s ，而w s n 和w b a n 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角度出发，w b a n 还要求对于电磁 干扰具有良好的屏蔽能力。 1 3 问题与挑战 w b a n 与a d - h o c 网络或者传感器网络等类型的网络相比有其自身的特点和存在的问 题 4 1 ： 1 ) 由于设备体积较小( 通常小于lc m 3 ) ，这些设备通常只有有限的能量资源。此外， 即便要求这些设备有长的生命周期( 植入设备需要达数年或者数十年) ，许多设备仍 2 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第l 章绪论 需要充电或者更换电池。因此这些设备的能量资源、计算能力和设备的存储容量 都受到限制。 2 ) 网络由在人体内或者人体身上的设备组成，这些设备离得非常近，相互之间存在 干扰。 3 ) w b a n 由有限数量的设备组成( 一般不超过5 0 个) ，每个设备都很重要，根据应用 的需要而添；0 n 至j j 网络。 4 ) 设备的超低传输功率降低了干扰，缓解了医疗的隐患。 5 ) 这些设备放置在人体身上，人仍可以正常活动。w b a n 需要灵活应对网络拓扑结 构频率性的改变。 6 ) 人体周围的传输环境比较复杂，必须设计一个相对比较简单但准确的传输模型。 7 ) 传输的数据一般都是医疗信息数据，因此，必须保证高可靠性和低时延。 8 ) 需要严格的安全机制来保证医疗数据的隐私性和机密性。 9 ) 设备的类型多种多样，它们的数据速率、能量消耗、计算能力、可靠性等性能指 标都不一样。 目前还没有任何一个网络协议满足以上提出的这些要求。虽然在a d - h o c 网络和传感器 网络中已经开始了对能量有效性路由的研究，但提出的相关解决方案对于w b a n 来说并 没有多大的作用，因为这些研究都把最大吞吐量和最低路由开销作为首要的考虑因素，而 并不太关注最低能量消耗的问题。能量有效a d - h o c 网络协议只尝试通过在网络中寻找路 由来最小化能量消耗，因而忽视了一些参数的优化，如所需操作( 测量、数据处理、接入到 存储器) 的数量和通过无线链路收发有用比特信息所需要的能量。大多数w s n 协议都只考 虑相同传感器之间网络和点到多点的通信情况，在许多情况下这种网络默认为静态的。而 w b a n 是基于传感器和执行器( 或接收器) 之间实时的通信，这种通信只覆盖了很小范围的 区域，设备个数很少。另外，人体周围环境对传输功率和传输损耗影响很大【5 1 。 总的来说，w b a n 的主要挑战可以归纳为在考虑到可靠性、网络的多样性和移动性等 性能的时候处理能量消耗的问题。如果能提出一种适合w b a n 的合理的方案，来满足低 功耗、低时延、高可靠性等特性，那将对w b a n 在医疗方面和非医疗方面的应用起到进 一步的推动作用，促使w b a n 技术更加完善，本文也将在接下来的章节对这些问题进行 具体阐述。 3 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第l 章绪论 1 4 论文的主要研究内容与章节安排 本文主要研究了w b a n 的通信关键技术，首先介绍了w b a n 的结构、特点、应用， 并深入分析设计w b a n 协议所涉及到的一些技术要求和规范，在此基础上介绍了一种设 计w b a n 协议的模块化方法，为后续开发w b a n 协议提供了理论基础和要求，并分析目 前适合w b a n 的两个协议，并在这两个协议基础上提出了一种改进w b a n 可靠性的方案， 以确保w b a n 的通信能够在保证低时延、低功耗的基础上保证高的可靠性的性能。 第一章简单介绍了w b a n 及与其他无线通信的关系，分析了目前w b a n 研究中出现 的问题和挑战。 第二章介绍了w b a n 的结构和特点，进一步探讨了目前w b a n 的研究动态及相关项 目，分析了w b a n 的相关应用，并详细介绍了w b a n 在远程健康护理网络中的实际应用。 第三章根据i e e e8 0 2 1 5 的t g 6 小组提出的相关提案和文档，深入分析了w b a n 在 物理层和m a c 层的技术要求。 第四章根据w b a n 的技术要求分析，提出了使用模块化方法设计适合w b a n 的协议 的架构，并详细分析了这个架构中各个模块的功能。 第五章在这个w b a n 模块化架构的基础上，具体介绍两个w b a n 协议并分析其性能， 并对这两个协议进行比较分析，最后在此基础上提出了一种改进w b a n 可靠性的方案， 并对这个方案进行仿真分析，对比前后的性能变化。 第六章总结全文，对w b a n 的未来发展进行展望。 4 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第2 章无线体域m ( w b a n ) 第2 章无线体域网( w b a n ) 2 1w b a n 结构及特点 2 1 1w b a n 基本组成 w b a n 是由附着在人体上的各种计算部件组成的网络。它和可穿戴计算机密切相关， 这些计算部件分布在人身体的各个部位，可以提供用户整合的个人服务。它主要用于健康 护理方面的医疗通信，是一种长期监控和记录病人身体重要信息与健康状况的基本技术。 w b a n 的基本结构如图2 1 所示。 图2 1w b a n 的基本结构 w b a n 可以有以下的思想融合而成【l 】：通过一系列移动、精密的设备( 传感器、执行 器和移动基站单元m b u ) 来传递病人和诊所之间的重要参数，从传感器来的信息参数流 通过一连串的b a n 模型传递到身体上的站点并得到巩固。另外，这些数据流可以通过有 线或者无线传输方式传送到远程的医疗站点( 如健康护理中心) 。通过使用w b a n ，我们 可以远程监控病人，一方面提高了病人的生活质量，另一方面允许了疾病防治和诊断、远 程协助、高级健康服务、身体状态监控、诊所研究。将先进的无线通信技术与w b a n 系 统一块使用，实现了远程慢性疾病病人的管理和健康危机检测，让病人获得最大的自由移 动性。 2 1 2w b a n 的特点 近年来，w b a n 吸引了越来越多的注意力，它是一个小规模无线通信网络。图2 2 给 出w b a n 与无线个域n ( w p a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线城域n ( w m a n ) 、无线广域 5 自京邮电人学矾l 究皇毕论史第2 市光线休域m w b a n ) n ( w a n ) 的关系。这些类型的刚络都可作为a d h o c 组网技术。w b a n 被设计成嵌于人体 内或镶嵌于体表，其通信范围一般被限制在几米内，典型j 1 匀通信距离是2 3 m 。w b a n 可 用于人体上可穿戴设备之怕j 的州生，w p a n 是人体附近的网络，其支持1 0 m 内的高数据速 率应h j 的和几十米的低数据速率应用，w l a n 的通信距离可达到数百米。每种类型的网 络都有其i e e e 标准规范。w p a n 使用i e e e8 0 2 1 5 1 ( b l u e t o o t h ) 或者i e e e8 0 2 154 ( z i g b e e ) ， w l a n 可以使用i e e e8 0 2 1 i ( w i f i ) 标准，w m a n 可以使用i e e e8 0 2 1 6 ( w i m a x ) 标准。而 在w a n 巾的通信是通过卫星链路建立起来的。最近i e e e 专门成立了工作小组t g 6 致力 于制定w b a n 的通信标准( 暂拟定命名为i e e e8 0 2 】56 ) 。显而易见w b a n 是一种短距离 通信，其优点是低发射功率级别：方面，低发射功率级别可以直接带米低能耗和电池的 长期使用；另一方面低发射功率可以避免或者减轻其它无线系统的干扰。 个人噬符 传输距离 圈2 2w b a n 与其它无线网络技术的关系 2 2w b a n 技术的研究动态 在吲际上，w b a n 较为成功的应用足远程医疗健康监护，很多研究机构丌展了一些关 _ 丁人体域通信方面的项目研究。山于w b a n 应用阿景的日益凸现，2 0 0 7 年1 1 月i e e e8 0 2 1 5 丌始着手制定w b a n 的组网和通信方面的标准，成立了t g 6 工作组，已经提出了部分标 准的技术要求p i ，但具体的标准尚未出台。在国内，第一军医大学、南丌大学在2 0 0 7 年也 开展了可穿蛾的b a n 系统研究，但是，在内部纽网方面比较简单，更多的采用有线的方 式，不能满足同益发胜的w b a n 应用需要。下面将介绍目前为l l ：，在w b a n 研究方面比 较有影响力的几个研究项目，以便于我们更好的了解w b a n 的发展和动向。 南京邮电大学硕上研究生毕业论文 第2 章无线体域i 网( w b a n ) 2 2 1m o b i h e a l t h 项目 这个项目由t w e n t e 大学和e r i c s s o n 公司共同完成 6 1 。 m o b i h e a l t h 项目在2 0 0 2 年5 月发起，2 0 0 4 年2 月完成，已经开发了基于 2 5 g ( g p r s ) 3 g ( u m t s ) 无线网络的创新的增值移动健康服务。这个工程的合作伙伴有来自 于医院、医疗服务提供者、大学、移动网络运营商、移动应用服务提供者和移动装置及硬 件提供者，并已经开发了m o b i h e a l t hb a n 和为病人和健康专业人士服务的通用b a n 服务 平台。远程病人监控服务仅仅是其中提供的一种服务。 2 2 2w p a n - t g 6 项目 t g b a n 是由i e e e8 0 2 1 5 委员会成立的一个新的工作小组，也称为t g 6 小组，致力 于开发用于健康护理服务的短距离无线技术【7 1 。为了能够在接下来完成w b a n 的标准化， t g 6 小组必须为w b a n 定义一种新的p h y m a c 层标准或者对现有的w p a n 标准进行改 进。目前这个小组已经制定了w b a n 的信道模型的草案、频率规范报告、m a c 层技术要 求文档及w b a n 应用范畴总结等具有指导性的文档，相信在该小组有计划工作安排下， w b a n 的标准规范即将浮出水面。 2 2 3f w o b a n 项目 f w o b a n 项目是由比利时国家科学研究基金会资助，其致力于开发w b a n 协议。 目前该项目小组已经提出一种适用于开发w b a n 协议的模块化架构，根据w b a n 的物理 层和m a c 技术要求特性，简单地整合现存的和最新开发的协议，使用这种模块化结构可 以最优化能量消耗，可提供统一的物理接口和应用接口。同时该小组在模块化架构这个思 想的基础上开发了相关的跨层w b a n 通信协议，主要侧重于w b a n 的内部通信，这些协 议同时实现了媒体的控制接入和数据路由功能，本文也将在下面的章节具体研究分析。 2 3w b a n 应用 2 3 1w b a n 应用范围 和其它无线通信网络技术一样，w b a n 的基本功能是使用无线链路传输数据、声音、 图像等，提供高效和高可靠性的网络。w b a n 的应用场合可以根据不同的标准分类，本文 7 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第2 章无线体域n ( w b a n ) 把其分成三种类型【2 】： a 医疗和健康的应用 b a n 可以用来提供援助给自动医疗治疗、自动配药和至关重要的信号监视。首先，利 用嵌入在人体或镶嵌在人体表面的无线传感器来采集多种重要的医疗健康数据，并把数据 发送给控制单元。接着，控制单元根据接收到的数据选择对应的治疗方法或者配药方式， 并发送控制命令给行动单元。然后，行动单元应用治疗方法或配药方式给人。当完成治疗 或自动配药后，传感器采集更新多种重要的医疗健康数据，此时处理进入另一个循环。 b a n 的基本功能是从无线传感器中采集数据，传感器、控制器和行动单元都被嵌入人 体内或者镶嵌于体表。因此，使用b a n 可以用来传输重要的医疗健康数据，包括从传感 器到命令单元、从发送治疗方法或配药方式命令单元到行动单元。表2 1 概括了一些典型 的医疗健康数据和它们要求的数据速率。从表中可以看出，除了e c g 、e e g 之外，其它数 据包括心跳、血压、体温和血糖浓度的数据速率都要小于1 0 0 b p s 。医疗健康数据采集和检 测的一个重要的使用模型是住院病人，通过分散b a n 给大量的住院病人，一些重要的医 疗健康数据可以被自动实时采集，这可以大大地减少护士的负担并提高医院的工作效率。 表2 1 重要健康监护数据速率 重要健康监护数据数据率 心跳 1 0 0 b p s 血压 1 0 0 b p s e c g 2 5 0 0 b p s e e g - ，5 4 0 b p s 人体温度 1 0 0 b p s 血糖浓度 1 0 0 b p s b 援助残疾人的应用 在支持残疾人方面，b a n 有大量的应用。例如使用b a n 来提供援助给视觉缺陷的人， 相机可以附着在墨镜和拐杖上，相机拍摄照片通过b a n 实时传送给患者身上的信号处理 机，信号处理机解释这些照片，把要寻找的物体、指导路线等等信息变成声音传递给这个 人。 b a n 也可以给说话困难的人带来福音。附着在手指间和手上的传感器可以检测到手指 和手的移动，同时也可以检测到手指间和手的相对位置，利用b a n 可以采集这些数据， 8 查塞型坐墨兰塑! 竺塑圭兰些堡兰苎! 苎圭些堡曼竖! ! ! 型2 并且把这些数据实时发送给信号处理机，这些手指语言被解释成声音，从而有效地解决了 说话困难的问题。 c 娱乐应用 娱乐和游戏是一个有吸引力的领域，b a n 在这个领域里承担着重要的角色，多种使用 模型被考虑应用在这个方面，例子包括司步视频和音频、视频流或音频流、视频游戏控制 器等等，这些应用与可穿戴式计算机方面有相似性。b a n 不仅可以给用户带来便利，也可 以为用户共享游戏提供可行性。共享式音频或者视频资源是b a n 相比传统无线技术的一 大优势。 应该强调一点的是，上面提及的三种类型的应用需要传输2 3 m 的范围。除了一些使 用自动医疗治疗或自动配药需要可植入的b a n 以外，大部分应用只是需要可穿戴的b a n 。 2 32 远程健康护理网络应用实例分析 目前远程健康监护w b a n 通信也被细分为：w b a n 内部通信、w b a n 外部通信和服 务网络通信。健康监护的w b a n 的工作流程如下：各种传感器到移动基站单元 ( m b u ，m o b i l eb a s eu n i t ) 之前，先通过有线或者无线连到一个前端数据记录器( d l ) 设备上。 诸如光电血氧计、心电图仪等各类传感器单元f s u ) 用蓝牙、z i g b e e 、无线局域网和超宽带 ( u w b ) 等其他短距无线传输技术中的- - , r 发射到m b u ，构成内部b a n 通信，然后m b u 进行b a n 外部通信，采用通用分组无线业务( g p r s ) 或通h j 移动通信系统( u m t s ) 等接入 技术将信息发送到远端医疗服务系统中心1 6 j 。 图2 3 基于w b a n 的远程健康护理m 络 蓊鼯倦旧鬯 南京邮电大学硕士研究生毕业论文 第2 章无线体域n ( w b 砧q ) 远程健康监护w b a n 由以下几个主要部件： 1 ) 一系列传感器和执行器 这个部分根据监控病人的需要和情况来区别放置，例如，一个糖尿病病人的b a n 可 能包括了测量血糖浓度的传感器和能注入胰岛素的执行器。其它传感器还有温度传感器、 脉搏和氧气饱和度传感器、心电图传感器和脑电图传感器等等。 2 ) 前端 将传感器插入前端的端口，通过每个端口，前端提供给连接在它上面传感器电源。通 过端口收到的模拟信号同样也要转换成数字信号并且映射到一个信道中去。信道多路复用 并且通过无线连接来传输。 3 ) 移动基站单元( m b u ) 在b a n 内m b u 有许多功能。作为b a n 的控制单元，通过无线连接到m b u ，从前 端开始生物信号的测量。m b u 能接受从前端来的数字生物信号并且为了下一步的传输进 行适当的处理。最后要提出，m b u 发起了远程无线数据传输，将收集到的数据传送到健 康护理中心去。在某种程度上说，m b u 就是b a n 与互联网或健康护理中心之间的网关。 m b u 系统的特殊模型还包括支持j a v a 或个人数字处理( p d a ) 并支持g p r s 的手机。 除了b a n 外，这个系统需要许多其它的部件来实现它主要的概念：为急救病人测量 生物信号并在近乎实时的基础上提供给健康护理中心。后台系统是b a n 与健康护理中心 的中间系统。后台系统是一个计算机系统，它提供w b a n 安全性、控制、管理和b a n 数 据存储功能。根据这些功能，一个后台系统通常位于健康护理提供者的网络上，但也可以 放在互联网的任何位置。 这个后台系统由以下子系统组成：代理主机、b a n 数据存放点、搜索服务、b a n 流服 务子系统，同样提供w b a n 管理和配置服务。另外，无线业务经营商予系统提供了安全 性的服务。主要子系统功能如下： 1 ) 代理主机：一个管理w b a n 系统的网关。代理主机知道哪个b a n 系统在线，知道这 个系统的特点( 如，b a n 传感器系统中传感器的个数) 。代理主机也可以负责收集从 m b u 来的b a n 数据。 2 1b a n 数据存放系统：负责收集和保存b a n 数据。它分别存放每个测量到的b a n 数据 部分，提供远程监护的用户一个接口，在终端用户主机不在线时候用来获取b a n 数据。 3 ) 无线业务经营商：提供安全性的服务( 如，鉴权与认证) 给w b a n 。每一个在线的b a n 总是通过无线业务经营商与代理主机系统连接( 也就是说一个防火墙，它禁止了b a n 与代理主机的直接连接) 。 1 0 自京邮l b 人学坝iw 究毕业论空第3 审w b a n 通信关键拄术娄求 第3 章w b a n 通信关键技术要求 w b a n 通信关键技术一般主要涉及到其物理层的频带选择、信道模型，m a c 层的能 量有效性、可扩展性、安全性等性能要求，通过具体分析这些关键技术的要求，合理设计 符合w b a n 要求的通信协议。目前i e e e8 0 21 5 委员会任务小组t g 6 正在对w b a n 相关 技术提出一些草案和建议，已经基本完善的草案就有物理层特性分析、w b a n 的技术要求 规范等j 。本章节将对这些规范和技术要求进行详细分析，这将对以后w b a n 的具体协议 规范的出台有一个预先的了解，为我们研究w b a n 相关协议和应用时提供了更好的理论 指导。下面将针对物理层中的频带选择和信道模型问题进行具体设计和分析，对m a c 层 中涉及到的几个重要的参数如功率有效性、可扩展性、安全性等提出具体的要求。 3 iw b a n 物理层技术要求 3 1 1w b a n 频带选择 根据目前的研究分析，无线个人通信系统可以操作在一些无需牌照的频谱上，并得到 全球普遍的认可。人体域网络的重要频带包括可植入通信系统( m e d i c a li m p l a n t e d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m m i c s l 频带，无线医疗遥测服务( w i r e l e s sm e d i c a lt e l e m e t r y s e 州i c e w m t s ) 频带，工业、科学、医疗( t h e i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l i s m ) 频带， 超宽带( u i t r a w i d e b a n d u w b ) 频带。由下图3 - 1 可知道，目f l i t 各个国家地区选用的适用于 w b a n 的频带。 图3 1 频带选择范 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第3 章w b a n 通信关键技术要求 a m i c s ( m e d i c a li m p l a n tc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ) m i c s 是个超低功率、无需牌照、移动无线服务，这样医疗护理提供者就能在一个植入 设备与一个基站之间建立高速、短程无线连接，支持结合植入医疗设备的诊断和治疗功能。 m i c s 频段为4 0 2 - - 4 0 5 m h z 。m i c s 频带已经被大部分国家和地区广泛接受。 b w m t s ( w i r e l e s sm e d i c a lt e l e m e t r ys y s t e m ) w m t s 一般用于通过无线电技术来远程监控病人的健康。w m t s 的使用给予了病人很 大的移动性，减少了医疗监护的费用。目前w m t s 主要在美国、日本、澳大利亚等国家 和地区使用，主要频带分散在4 2 0 , - 4 2 9m h z 、4 4 0 - - 4 4 9m h z 、6 0 8 , - 6 1 4m n z 、1 3 9 5 1 4 0 0 m h z 、1 4 2 7 1 4 2 9 5m h z 等。这个频带非常适合w b a n ，首先它是一个低频带，可提供大 量通信带宽，如在6 0 8 - 一6 1 4 m h z 中允许有4 个1 5 m h z 带宽的信道；其次，w m t s 带宽只 用于医疗通信，这样就比i s m 频带的干扰要少很多。 c u w b ( u l t r aw i d e b a n d ) u w b 是一种短距离的无线通信方式。其传输距离通常在1 0 m 以内，使用1 g h z 以上 带宽，通信速度可以达到几百m b i t s 以上。u w b 不采用载波，而是利用纳秒至微微秒级 的非正弦波窄脉冲传输数据，因此，其所占的频谱范围很宽，适用于高速、近距离的无线 个人通信。f c c 规定，u w b 的工作频段范围从3 1 g h z 到1 0 6g h z ，最小工作频宽为 5 0 0 m h z 。 d i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，a n dm e d i c a l ) i s m 频带是i t u r 定义的无线电规范，i s m 的分配是不需要牌照的，因而可以为w b a n 所方便使用。u r 为i s m 定义的频带范围很大： 6 7 6 5 6 7 9 5m h z ( 中心频率6 7 8 0m h z ) 1 3 5 5 3 1 3 5 6 7m h z ( 中心频率1 3 5 6 0m h z ) 2 6 9 5 7 - - 2 7 2 8 3m h z ( e e 心频率2 7 1 2 0m h z ) 4 0 6 6 - - 4 0 7 0m h z ( 中心频率4 0 6 8m h z ) 4 3 3 0 5q 3 4 7 9m a z ( 中心频率4 3 3 9 2m h z ) 9 0 2 9 2 8m h z ( 中心频率9 1 5m h z ) 2 4 0 0 - 2 5 0 0g h z ( 中心频率2 4 5 0g h z ) 5 7 2 5 5 8 7 5g h z ( 中心频率5 8 0 0g h z ) 2 4 2 4 2 5g h z ( 中心频率2 4 1 2 5g o z ) 6 1 巧1 5g h z ( 中心频率6 1 2 5g h z ) 1 2 2 1 2 3g h z ( 中心频率1 2 2 5g h z ) 1 2 南京邮电大学硕士研究生毕业论文第3 章w b a n 通信关键技术要求 2 4 4 2 4 6g h z ( 中心频率2 4 5g n z ) 从上面分析我们可以看到一些i s m 频带已经被很多现存的标准使用，很多i e e e 标准 如8 0 2 1 l b g ( w l a n ) ，8 0 2 1 5 1 ( b l u e t o o t h ) ，8 0 2 1 5 4 ( z i g b e e ) 等都使用了2 4 - 2 4 8 3 5g h z 频带，这就带来了在这些频带上的共存性问题。 3 1 2w b a n 信道模型 在w b a n 开发中比较重要的一点就是人体附近或者在人体内部的设备的电磁波传播 特性。由于人体组织结构和体型相对复杂，这样使建立一个简单的b a n 的路径损耗模型 变得比较困难。w b a n 应用中的天线放置在人体表面或者内部，因而b a n 信道模型需要 考虑人体对无线传播的影响。 可以将w b a n 使用的传感器节点分为3 种类型： 1 ) 可植入节点：放置在人体体内的节点。 2 ) 体表节点：放置在人体皮肤表面的的节点，最多远离皮肤表面2 c m 。 3 ) 外部节点：放置在人体皮肤外部节点，与人体皮肤不直接接触的节点( 大约几 e m ，最多离人体5 m 远) 包含人体表面和植入场景的信道模型的结构并不相同【引。植入设备的信道模型基本上 是不相同的。 表3 1 场景列表及其描述 场景编号描述频带信道模型 s l 植入植入 4 0 2 - 4 0 5m h zc m l s 2 植入体表4 0 2 - 4 0 5m h zc m 2 s 3 植入- 夕| 、部 4 0 2 - 4 0 5m h zc m 2 s 4 体表一体表( l o s ) 1 3 5 ，5 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0m h z ，c m 3 2 4 ，3 1 1 0 6 g h z s 5 体表- 体表( n l o s ) 1 3 5 ，5 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0m h z ，c m 3 2 4 ，3 1 1 0 6 g h z s 6 体表夕 、部( l o s ) 1 3 5 ，5 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0m h z ，c m 4 2 4 ，3 1 1 0 6 g h z s 7 体表夕 、部( n l o s ) 1 3 5 ，5 0 ，4 0 0 ，6 0 0 ，9 0 0m h z ，c m 4 2 4 ，3 1 1 0 6 g h z 外部设备之间的距离最大可以为5 米，一般在2 - 3 米之间。 图3 2 描述了以上所提到的几种可能信道模型场景。 c m 4 限植入世辑 f f t a & 备 图3 - 2b a nl 叮能的通信链路 w b a n 系统( 人体上的应用) 4 q i j 于传统无线通信，它的路径损耗既山距离决定又由频率 决定。传送天线和接收天线之间的路径损耗模型j ； j d b 表示，一般实际应用中可以采用基于 自由空日j 的f d i s 方程，其给出了一个以距离d 为参数的方程【9 】，可描述为： 叫坊+ 1 0 礼g - o ( 3 _ 。) 其中肛n 是在参考距离d o 上的路径损耗， 是路径损耗指数。 3 2 w b a n 的m a c 层技术要求 3 21w b a n 的能量有效性 在一些w b a n 的应用巾，设备( 包含p h y 和m a c 层的完整的通信系统) 在无i ：扰 情况下，电池寿命可达数月或者数年的时问。当然根据应用的属性或者设备大小的物理限 制，有些设备只需要几十小时的电池寿命。 超低功率操作对于植入设备的使用寿命是至关重要的。在一些应用中需要用到能量提 取技术柬减少对电池的需求量。 可以最小化峰值功率消耗和平均功率消耗米支持小型电池并提高电池使用寿命i “i 。低 工作周期的设备通常在大部分情况下关闭其无线电和c p u 资源。在典型的无线系统中，空 刚侦听和串音通常消耗大量的能吊，因而必须提供有效的、灵活的周期循环技术来最小化 空闲侦听、串音、包冲突和控制丌销。特别对于低周期循环、零星传输的设备米说更需要 一种有效的能量节省( 睡眠) 模式。另外节点之间的协调不能引发节点的频率唤醒。这些机 制必须由m a c 层和物理层束支持。 降吣 南京邮电大学硕上研究生毕业论文第3 章w b a n 通信关键技术要求 3 2 2w b a n 的可扩展性 可扩展性是w b a n 网络设计的一个关键目标。网络不需要复杂的建立流程( 简单无线 连接和断开) ，能动态的支持节点进入和离开一个网络。节点的进入和离开时间必须小于3 秒。典型的医疗网络一般可由6 个节点组成。网络支持的节点能有效的升级到2 5 6 个节点。 3 2 3w b a n 的移动性 当人体在移动的时候，节点必须保证可靠的通信。这种应用需要考虑到一些人体动作 ( 如转身、回头、跳舞、坐下、走路、挥手、跑步等) 导致的信道衰弱和阴影效果。当个别 节点与其它节点之间相对移动时，可以搬移整个b a n 绝对的位置。这种绝对的动作也导 致了干扰和共存环境的变化。 3 2 4w b a n 的可靠性 医疗w b a n 是由大量医疗数据信息组成。因此，必须保证通信的可靠性，确保监测到 的医疗数据能够被医护人员准确接受。可靠性可认为是端到端的或者是一条链路上的，它 除了可以保障数据的有序的传输外，还可以在合理时间传输消息。传输可以分为以下几种 类型： 持续型：数据或者控制信息持续发送或者短间隔内周期发送 按需型：数据根据需要发送 事件驱动型：一旦事件发生就发送数据 混合型：以上类型的混合类型 大部