無線體域網技術研究現狀與展望*

鄧世洲， 高偉東， 胡 煒， 劉景文， 楊貴亮， 劉 帆

(1.北京大學 人民醫院，北京 100044； 2.普天信息技術研究院有限公司，北京 100080)

0 引 言

伴隨著我國工業化、城鎮化、人口老齡化進程的加快，慢性病發病人數快速上升，并逐漸成為居民健康的主要威脅，慢性病預防和管理也成為了重大的公共衛生問題[1]。統計數據顯示，當前我國已確診的慢性病患者高達2.6億人，慢性病導致的死亡已經占總死亡的85 %，而由慢性病導致的疾病負擔已占疾病治療總負擔的70 %。因此，若不及時有效控制慢性病，將會帶來嚴重的社會問題和經濟問題。雖然慢性病可能會導致嚴重的后果，但如果能對患者進行科學有效的生命體征監測，很多重大慢性病是可以提前預知并加以治療的。無線體域網(wireless body area network，WBAN)的出現，為慢性病患者的健康監測提供了一種簡單、低成本的手段[2～4]。基于WBAN技術，通過在慢性病患者體表或者體內布置能自動采集人體心電、腦電、肌電、體溫、血壓、血糖、血氧等生命體征參數的傳感器，實現實時、方便、全天候的健康監測。

WBAN在醫療健康領域有巨大的應用價值，但WBAN中的節點設計必須要符合低功耗[5]、安全保密[6,7]和高服務質量(QoS)的需求[8]。同時，由于WBAN業務是面向醫療健康的，數據傳輸必須具有安全保密、高QoS特性，以減少個人隱私泄露，保證數據傳輸可靠性。本文對WBAN關鍵技術的研究現狀進行了綜述，介紹了WBAN的標準化和產業化現狀，同時對WBAN技術的發展進行了展望。

1 WBAN技術研究現狀

1.1 低功耗技術

低功耗對延長WBAN設備的續航時間和減少特定吸收率(specific absorption rate,SAR)均有益處，WBAN的近人體傳輸特性要求WBAN設備的發射功耗必須嚴格受限[9]。文獻[10,11]評估了體域網應用下Zig Bee協議的功耗，結論是如果不對Zig Bee協議的功耗進行改進，將無法很好地用于體域網場景。文獻[12]提出了一種適用于體域網應用的Bluetooth動態調度策略，傳感器節點通過自適應地在連接狀態和睡眠狀態間切換實現功耗節省。BSN-MAC[13]提出了一種自適應超幀結構機制，協調器根據傳感器節點反饋的信息自適應地調整保護時隙(guaranteed time slot,GTS)和競爭接入期(contention access period,CAP)的長短，實現減少接入沖突和空閑偵聽，達到節省功耗的目的。除了上述針對Bluetooth和Zig Bee技術的改進MAC協議外，近年來,學術界又提出了一些專門應用于WBAN系統的低功耗MAC協議，包括CICADA[14]和H-MAC[15]。CICADA是一種適用于無線多跳、移動WBAN的MAC協議，采用數據即時傳輸的方式提高吞吐量，減少傳輸時延。H-MAC是一種多時分址(TDMA) MAC層協議，結合心率監測應用，傳感器節點根據心跳節奏自動進行時間同步，節省開啟射頻(radio frequency,RF)和接收時間同步信息的功率消耗。作為世界上唯一發布的WBAN標準IEEE 802.15.6[16]分別從宏觀、微觀角度提出了WBAN的功率管理策略。宏觀功率管理指的是“冬眠”：當節點在非喚醒超幀內處于非激活狀態時，節點進入“冬眠”；微觀功率管理指的是“休眠”：當節點在喚醒超幀內且不需接收信標幀時，節點在信標傳輸時間內處于非激活狀態，即進入“休眠”。

除了研究高能效的MAC協議，文獻[17]從功率控制的角度追求能耗節省：在信道條件差的時候，在保證滿足輻射功率的條件下提高節點的發送功率，以保證數據被正確接收；在信道條件好的時候，適當降低節點的發射功率，以節省能量，延長節點的工作壽命。文獻[18]研究了最優化的數據包載荷長度設置，在不同的信道環境下采用不同長度的數據包載荷進行傳輸，實現最大化能量效率的目標。文獻[19]建立了正交幅度調制(MQAM),相移鍵控(PSK),頻移鍵控(FSK),開關鍵控(OOK)等調制方式的能耗模型，根據不同的應用場景選擇不同的收發機架構和調制方式，實現頻譜效率和能量效率之間的折中。

上述文獻研究表明：低功耗技術，低功耗設計的思想應該貫穿WBAN系統的各個層面，從單一的協議層或收發機設計進行功率節省無法獲得最大化的功率節省，因此,需要研究跨協議層、軟硬件聯合優化的低功耗設計方法。

1.2 安全保密技術

WBAN所采集傳輸的數據都是與人體密切相關的生理參數，同時，WBAN中數據的保密性也是必不可少的，因為健康監測數據屬于個人隱私數據，必須嚴格限制僅有授權的用戶才能訪問和使用。文獻[20～22]對WBAN的安全需求進行了分析，提出WBAN系統的安全性目標是確保體征信息的機密性、完整性、容錯性、新鮮性及魯棒性。WBAN中安全性攻擊可以分為：1)對機密性和認證的攻擊，攻擊者采取竊聽、欺騙和重放等攻擊行為；2)對完整性的攻擊，攻擊者修改信息內容，導致接收錯誤信息；3)對網絡可用性的攻擊，例如:服務拒絕(denail of service,DoS)[23]，攻擊者使用這種方式耗盡網絡資源。為了對抗WBAN中的攻擊，文獻[24～26]提出了將時變的人體生理狀態信號用于加密算法的輸入參數，保證數據傳輸安全性的方法。

由于傳感器節點具有嚴格的低功耗限制，對抗這些攻擊是極具挑戰性。如果采用復雜的安全加密措施，勢必導致能耗過大，并且容易影響傳感器節點的正常通信，進而影響患者體征數據的采集。IEEE 802.15.6體域網標準定義了多層次安全級別(級別0～2)的通信，每種安全級別各自對應不同的保護級別與幀格式[16]:1)級別0：不安全的通信，通信過程中不對數據進行認證，也沒有完整性保護；2)級別1：只認證，數據傳輸在安全認證模式下進行，但數據不加密；3)級別2：認證并且加密，這是最高安全級別的通信模式。文獻[27,28]還提出了輕量級的安全性加密機制，可以有效保證隱私數據的安全傳輸，同時具有低復雜度。文獻[29]采用跨協議層的安全機制，從底層直接保證了數據傳輸的安全性。

從當前研究現狀來看，關于WBAN通信的安全保密與隱私性的研究，在集成合適的安全機制之前，必須理解WBAN的不同應用類型的需求，另外還要考慮社會、法律法規的限制，而現有WBAN的研究沒有完全考慮這些因素。

1.3 QoS保障技術

現有的針對傳統WSNs的QoS保障機制通常都以單一的QoS參數為優化目標，例如:可靠性、時延、數據速率和移動性等，不適合直接應用到WBAN中。為此，Latre B[14]評估了CIADIA協議的可靠性，并在此基礎上提出了改進的機制，進一步提高了傳輸可靠性。Zhou Gang研究了WBAN中的自適應資源調度機制，保證了可靠的數據傳輸[30]。Otto C通過對WBAN原型系統實際接收性能的評估，分析得出了可能會引起網絡傳輸可靠性下降的因素[31]。Wu Guowei提出了一種信道預留機制，能夠在非理想的WBAN信道環境下提高傳輸的可靠性[32]。Garcia J[33]和Anup Thapa等人[34]將用戶優先級分成了若干個等級，在進行信道接入的時候區分用戶優先級，保證高優先級的用戶優先接入網絡。Medwin還定義了多種信道接入方式：定時接入、非定時接入、臨時接入和競爭接入(CSMA/CA、時隙Aloha)，分別適用于具有不同類型、不同QoS需求的業務。

關于WBAN的QoS保障的研究，上述文獻都是針對單個的QoS性能指標的優化方法，鮮有針對多個QoS性能指標聯合優化的研究。WBAN系統對傳輸可靠性、能量效率、時延的需求高于以往的任何通信系統，這些QoS性能指標同等重要，如果只針對單個QoS性能指標進行優化，往往會導致其他QoS性能的下降，不利于醫療業務的可靠和有效傳輸。因此，為了保證WBAN中數據的高質量傳輸，迫切需要研究基于多QoS性能指標的多目標聯合最優化方法。

2 WBAN標準

IEEE 802.15工作組早在2007年就成立了TG6工作小組，開展對WBAN的標準化研究，并于2012年3月發布了世界上首個WBAN標準——IEEE 802.15.6。美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)于2013年2月通過了IEEE 802.15.4J標準[35]，該標準以IEEE 802.15.4為藍本，定義了在2 360～2 400 MHz頻段上滿足醫療業務需求的增強型物理層和MAC層技術。為了適應中國醫療頻段(174～216，407～425，608～630 MHz)的特性，IEEE 802.15成立了TG4n工作組[36]，制定適合中國醫療頻段的物理層標準和適配的MAC層標準，目前該標準仍在制定過程中，將于2014年底完成。在國內，中國通信標準化協會(CCSA)也于2012年11月通過了研究立項“適用于醫療健康應用WBAN通信技術要求”[37]，目標是制定適用于我國醫療健康應用頻段和應用需求的WBAN行業標準。全國信息技術標準化技術委員會無線個域網工作組也于2013年11月決定開展醫療體域網立項的研究工作，制定WBAN技術的國家標準。

除了以上新制定的WBAN標準外，一些成熟的無線個域網通信標準和無線局域網標準也在適時地進行了演進，以滿足物聯網應用(包括WBAN應用)的需求，力求搶占短距離無線通信市場。藍牙技術聯盟于2010年6月底推出了主打低功耗的藍牙4.0版本[38]，該標準獲得了產業界的大力支持，康體佳健康聯盟已經批準將藍牙4.0作為其低功耗局域網通信的新標準。為了構建智慧、低功耗的物聯網，藍牙技術聯盟又于2013年12月正式發布了藍牙核心規格的更新版本—藍牙4.1版本，藍牙4.1版本支持與3GPP LTE的并存，并且提升了數據傳輸速率，從而改善消費者使用體驗。此次協議更新還能使藍牙設備支持多種角色，輔助開發者創新開發，從而鞏固藍牙技術在無線物聯網連接中的地位。WiFi聯盟也于2010年啟動了面向物聯網的WLAN技術標準制定，即802.11ah。該標準使用1GHz以下免許可頻段，具有覆蓋范圍更大、支持更多用戶、更低功耗、針對中低速率進行優化增強等特點。

3 WBAN產業化

為了探索WBAN技術在醫療和保健領域的優勢，學術界對WBAN的應用進行了大量的嘗試，各種WBAN系統紛紛涌現。哈佛大學的CodeBlue項目[39]基于TinyOS操作系統開發了一系列用于醫療健康監測的硬件平臺，包括無線血氧飽和度監測設備和無線心電圖監測設備。比利時微電子研究中心(IMEC)和IMEC-NL聯合發布了一整套無線人體監測系統，包括無線腦電圖(electroencephalography,EEG)、無線心電圖(Electrocardiography,ECG)以及無線睡眠監控系統[40]。歐洲的Mobi-Health項目[41]開發了一個端到端的移動健康監測平臺，通過通用移動系統(UMTS)和通用無線分組業務(GPRS)網絡對患者進行動態的體征監測。SMART[42]項目研發了用于對急診等待區患者進行無線監測的生命體征監測系統。國內的眾多高校和科研院所，包括中國科學院[43]、北京理工大學[44]和上海交通大學[45]也相繼研發了基于WBAN的遠程健康監測系統。在產業界，WNAB產品已被廣泛應用于醫療和保健領域。美國圣地亞哥醫院采用基于Zig Bee技術的WBAN產品管理醫院內的設備，使設備使用率從68 %提高到了90 %，丟失率從14 %降到0。拉斯維加斯老人寓所采用WBAN技術，通過跟蹤老人的日常活動，保證老人在突發疾病時獲得及時救助。

從目前的產業化現狀來看，WBAN在醫療保健領域的潛能還沒有完全釋放。一方面，在世界范圍內盡管已經存在多個WBAN標準，但由于大部分標準都是由少數公司或科研機構推動，知識產權掌握在個別單位手中，已發布的標準缺乏產業鏈全員參與的熱情，正在制定中的標準也是由個別公司或科研機構推動，標準發布后注定擺脫不了被冷落的命運。另一方面，WBAN缺乏醫療保健產業鏈的合力，僅依靠單個環節的努力無法推動WBAN技術的廣泛應用，需要醫療服務提供商、醫院、保險公司以及工業界的各方人士開展戰略性合作。從目前的現狀來看，WBAN在醫療領域的推廣和應用前景不容樂觀。但近幾年WBAN在消費電子領域卻蓬勃發展，主流的互聯網公司、通信設備公司以及消費電子產品公司都發布了自主研發的穿戴式設備，包括各種智能腕表、手環、眼鏡等。可以預見，WBAN一定會有光明的前景和未來。

4 結束語

本文對WBAN通信關鍵技術研究和產業化現狀進行了分析。從WBAN通信技術的研究現狀來看，盡管關于WBAN通信技術的研究層出不窮，但是從目前來看，WBAN技術仍然還不成熟，主要體現在低功耗、安全保密和QoS等方面，這些因素成為了制約WBAN技術實用化和大范圍推廣的瓶頸。從WBAN的標準化和產業化現狀來看，市場上缺乏殺手級產品的出現，距離大規模產業化還存在很大空間，未來WBAN技術在產業化方面還有大量工作要做，需要WBAN全產業鏈的通力合作。

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