无线体域网技术研究现状与展望.docx

综述与评论无线体域网技术研究现状与展望*邓世洲1 ，高伟东2 ，胡炜2 ，刘景文2 ，杨贵亮2 ，刘帆1( 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)摘 要: 无线体域网( WBAN) 技术是当前重要的研究热点，可以应用于医院内患者实时监测和家庭健康护理领域，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。WBAN 对设备的可穿戴性和数据传输的可靠性、安全 性提出了更高的要求，技术发展中存在一些需要深入研究和解决的问题。对 WBAN 关键技术的研究现状 和产业化进展进行了综述，并对 WBAN 技术的未来研究和发展前景进行了展望。关键词: 无线体域网; 低功耗; 安全保密; 服务质量保障; 产业化中图分类号:文献标识码:文章编号:10009787( 2014) 11000104TN 929 5Aesearch status and prospects of WBAN technologies*DENG Shi-zhou1 ，GAO Wei-dong2 ，HU Wei2 ，LIU Jing-wen2 ，YANG Gui-liang2 ，LIU Fan1( 1 Peoples Hospital，Peking University，Beijing 100044，China; 2 Potevio Institute of Technology Co Ltd，Beijing 100080，China)Abstract: Wireless body area network( WBAN) technology is currently an important research hotspot，which canbe used for real-time patients monitoring and home health-care，has wide application prospects and huge market potential WBAN has put forward stringent challenges on the wear ability，data transmission reliability and security，so there are a lot of new issues raised that need further in-depth study The research status and industrialization of WBAN is reviewed and the future of WBAN is prospectedKey words: wireless body area network( WBAN) ; low power consumption; security; QoS-guarantee; industriali- zation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 net- work，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。0WBAN 技术研究现状11 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，SA) 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收稿日期: 20140123基金项目: 国家科技重大专项资助项目( 2013ZX03005008)*檸殠檸传 感 器 与 微 系 统 第 33 卷2连接状态和睡眠状态间切换实现功耗节省。BSN-MAC13提出了一种自适应超帧结构机制，协调器根据传感器节点用性的攻击，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 3QoS 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 B14 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 J33 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，迫切需反馈的信息自适应地调整保护时隙 ( guaranteedtime 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 CICADA14 和 H-MAC15。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，F) 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 15 616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) 对网络可第 11 期邓世洲，等: 无线体域网技术研究现状与展望3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( GPS) 网络对患者进行动态的体征监测。 SMAT42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。参考文献:要研究基于多 QoS 性能指标的多目标联合最优化方法。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 80215 4 为蓝本，定义了在 2360 2400 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。2WBAN 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31Morabia A，Abel T Preventing chronic diseases: A vital invest-mentJ International Journal of Public Health，2006，51 ( 2 ) :74Monton E，Hernandez J F，Blasco J M Body area network for wire- less patient monitoringJ IET Communications，2008，2 ( 2 ) :215 2222体监 测 系 统，包括无线脑电图 (electroencephalography，EEG) 、无线心电图( Electrocardiography，ECG) 以及无线睡眠传 感 器 与 微 系 统 第 33 卷43Patel M，Wang Jianfeng Applications，challenges，and prospectivein emerging body area networking technologiesJ IEEE Wire- less Communications，2010，17( 1) : 80 88Seyedi M，Kibret B，Lai D T H A survey on intrabody communi- cations for body area network applicationsJ IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2013，60( 8) : 2067 2079Lont M，Kiyani N F，Dolmans G System considerations for low power design in wireless body area networksC 2012 IEEE 19th Symposium on Communications and Vehicular Technology ( SCVT) in the Benelux，Eindhoven，2012: 1 5Li Ming，Lou Wenjing，en Kui Data security 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127511 Cavalcanti D，Schmitt ，Soomro A Performance analysis of 802 15 4 and 802 11e for body sensor network applicationsC4th International Workshop on Wearable and Implantable Body Sen- sor Networks，BSN 2007，Germany: Aachen University，2007: 9 1412 ebeiz E，Caire G，Molisch A F Energy-delay tradeoff and dy- namic sleep switching for bluetooth-Like body-area sensor net- worksJ IEEE Transactions on Communications，2012，60( 9) : 2733 274613 Li Huaming，Tan Jindong An ultra-low-power medium access con- trol protocol for body sensor networkC27th Annual Interna- tional Conference of the Engineering in Medicine and Biology So- ciety，Shanghai，2005: 2451 245414 Latre B，Braem B，Moerman I，et al A low-delay protocol for mul- tihop wireless body area networksC Fourth Annual Interna- tional Conference on Mobile and Ubiquitous Systems: Networking Services，Philadelphia，PA，2007: 1 815 Li Huaming，Tan Jindong Heartbeat driven medium access control for body sensor networksJ IEEE Transactions on Information 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protocol for multi-hop wireless body area networksC Proceedings of the 7th International Conference on Ad-Hoc，Mobile and Wireless Networks，2008: 94 10730 Zhou Gang，Lu Jian，Wan C Y，et al BodyQoS: Adaptive and ra- dio-agnostic QoS for body sensor networksC IEEE Infocom， 2008: 565 57331 Otto C，Milenkovic A，Sanders C，et al System architecture of a wireless body area sensor network for ubiquitous health monito- ringJ Journal of Mobile Multimedia，2006，1( 4) : 307 326( 下转第 8 页)传 感 器 与 微 系 统 第 33 卷8计了一种小型的压缩测试系统，在现有传感器基础上，实现了对极低体积分数气体更高的检测灵敏度，尤其是针对毒 害性气体，可有效提高预警和分辨能力，尽可能提前发现危 险，防范于未然。参考文献:常态下 H2S 体积分数 /10-601020304050607060504030201001GB Z 21 12007 工作场所有害因素职业接触限值，第 1部分，化学有害因素S 2007GB Z12010 工业企业设计卫生标准S 2010Meng Fanna，Zhao Guogang，Zhang Haijun Solvothermal synthesis and H2 S gas sensing characteristics of ZnO nanorodsJ Nano- science and Nanotechnology Letters，2013，9( 5) : 1012 1018王秀东 基 于 SnO2 / CuO 薄膜的声表面波 H2 S 传 感 器 研 究D 北京: 中科院研究生院，2011Deng Jiwei，Ma Jianmin，Mei Lin，et al Porous -Fe2 O3 nanos- pheres-based H2 S sensor with fast response，high selectivity and enhanced sensitivityJ J Mater Chem，2013，40 ( 1 ) : 12400 12403 赵章琰，李勇滔，夏 洋，等 半导体器件测试设备中的微弱 电流测量 模 块 设 计J 传感器与微系统，2011，30 ( 10 ) : 115 117戴逸松 微弱信号检测方法及仪器M 北京: 国防工业出版 社，1994高晋占 微弱信号检测M 北京: 清华大学出版社，2005顾海洲 PCB 电磁兼容技术M 北京: 清华大学出版社，200402468101223压缩倍数图 9 常态下与压缩测试的灵敏度分布对比Fig 9 Sensitivities distribution comparison between normal state and compression test对比测试了体积分数 5 10 6 ，1 10 6 ，500 10 9 的气体，在 2 种方法测试下的灵敏度值，如表 1。表 1 常态下与压缩测试的灵敏度( a / g 100 %) 分布对比Tab 1 Sensitivities distribution comparison between( a / g 100 %) normal state and compression test45气源 H2S 体积分数5 10 61 10 6500 10 96常规灵敏度( 恒温常压)本方法灵敏度( 恒温压缩 10 倍) 灵敏度提升倍数4 9662 1012 52 3811 274 771 423 782 677由表可见，体积分数越高的气体，压缩后的传感响应灵敏度也越高，原因是在不同体积分数区间段内，例如: 气源 500 10 9 5 10 6 内，传感器响应特性是一定的，也使得 在本方法下，灵敏度提升倍数非线性变化。3 结束语本文提出了压缩源气体以增强传感响应的方法，并设89作者简介:邓积微( 1983 ) ，男，湖南长沙人，博士研究生，主要研究领域 为传感测控技术、数据挖掘。檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸( 上接第 4 页)32 Wu Guowei，en Jiankang，Xia Feng，et al An adaptive fault-to- lerant communication scheme for body sensor networksJ Sen- sors，2010，10( 11) : 9590 960833 Garcia J，Falck T Quality of service for IEEE 802 15 4-based wireless body sensor networksC3rd International Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare，2009: 1 634