體域網通信的關鍵技術探討

錢蘭美　吳芳

摘要：分析體域網的3層網絡架構。針對體域網的通信協議IEEE802.15.4和IEEE802.15.6，分析通信中的時延、數據量、節點能耗和通信帶寬等技術難點;進而，得出兩類體域網通信優化的關鍵技術。

關鍵詞：體域網;通信協議;通信優化

中圖分類號：TP393 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0052-02

Abstract： This paper mainly analyzes the 3-layer network architecture for the body sensor network. Basing on the communication protocols of IEEE802.15.4 and IEEE802.15.6， the technical difficulties such as delay， data yield， node energy consumption and communication bandwidth are analysed. The key technologies for the communication optimization of two types of body senser network are obtained.

Key words： body sensor network; communication protocol; communication optimization

1 網絡結構

體域網融合了傳感器技術、短距離無線通信技術、分布式信息處理技術[1]。通過置于人體及其周圍的傳感器節點感知各種生理和環境參數，以無線方式發送至基站或移動單元，再經由蜂窩網絡將數據發送至應用層實施遠程監控。體域網的3層通信架構如圖1所示。

第一層為感知層。感知層的核心是具有采集數據或者監測功能的傳感器節點，包括各類植入式傳感器，可穿戴設備和環境傳感器[2]。傳感器節點由于自身存儲空間、數據處理能力、通信能力和能量有限，通常只進行數據的感知、采集和轉發，利用短距離無線通信技術與外部網絡之間建立通信。

第二層為傳輸層。傳輸層是連接感知層和應用層的橋梁，包括基站（Basic Station， BS）、移動單元（Mobile Unit）和個人設備（Personal Device， PD），如手機、筆記本電腦等，負責臨時存儲和轉發信息，通過網絡將接收到的感知數據傳送至應用層，必要時可對數據進行處理。

第三層為應用層。應用層基于特定應用，由各種遠程服務器組成，如遠程醫療中心、急救中心等。服務器一方面接收傳輸層傳送過來的感知數據進行分析和處理，并及時向用戶提供反饋，另一方面可通過網絡訪問感知層，獲取所需的感知數據。

2網絡通信

體域網的低功耗、低速率、實時性等特殊需要，要求綜合考慮通信帶寬、數據量、節點能耗和傳輸時延等多方面要求。對體域網的通信進行優化是提高其性能的關鍵。

2.1通信協議

體域網的中心節點必須采用標準化的通信結構與外界通信。而采用IEEE 802.15.6和IEEE 802.15.4標準可提高置于人體內，體表和體外傳感器、執行器的通信速度，準確性和可靠性。

目前， IEEE 802.15.4具有三個工作頻段： 2.4GHz、868M Hz、915MHz，它們的傳輸速度分別為250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，具有以下特點。

（1） 低功耗。睡眠喚醒時間短，只有15ms，在設備不工作時可采用休眠模式，同時接收和發送數據時發射功率僅為1mW，因此設備耗電非常低。節點采用Zigbee 短距離無線通信方式，節點可以維持在較長時間不用更換電池設備。

（2） 通信安全可靠[3]。發送數據過程中會對數據的完整性檢查，對發送的數據進行AES-128加密。在發送過程中為數據預留了專用空隙，以避免數據沖突。在媒介控制層采用了消息反饋機制，當接收到或收到信息需要發送確認接收信息，保證信息交流的可靠性。在信息交互過程中出現問題，可以重新發送。

（3） 網絡容量大。每個網絡系統中可以包含255 個節點，在不同信道上可以布置上百個網絡，可容納60000多個傳感節點設備。

體域網的最新標準為IEEE 802.15.6。在人體附近的小區域范圍內，提供低功率，短距離的無線通信國際標準，支持從75.9 Kbps窄帶到15.6 Mbps超寬帶的大范圍數據傳輸速率。IEEE 802.15.6標準定義了一種傳輸速率最高可達10Mbps、最長距離約3公尺的連接技術。不同于其他短距離、低功耗無線技術，新標準特別考量在人體表面或人體內的應用。其主要技術標準為：

（1） 每個體域網必須能夠支持256個節點，節點應能夠在很短時間內（不到3秒）被刪除或添加到網絡。所有設備能夠以0.1 mW（-10 dBm）的功率發射，最大發射功率應小于1 mW（0 dBm）。

（2） 體域網應支持一定范圍的抖動、延遲，并保證可靠性。在醫療應用中，延遲應小于125 ms，在非醫療應用中小于250 ms，而抖動應小于50 ms。

（3） 體域網應能夠在異構環境中運行，不同標準的網絡能夠相互協作以接收信息。鏈路應支持10 Kb / s到10 Mb / s范圍內的比特率[4]。

2.2技術難點

通信技術是體域網研究的關鍵技術，鑒于其協議的特殊要求，其主要技術難點如下。

（1）節點能耗。對于體域網中的節點，特別是植入人體內部的節點，其通信能力，可用內存和計算能力都是受限的。為盡量減少干擾，處理健康問題，每個節點都必須非常小（通常小于1cm3），因而具有極低的傳輸功率。此外，體域網中的可植入設置使電池的安裝及供給相當困難。

（2）傳輸時延。由于體域網主要傳輸的是病人的生理數據，如脈搏心率，體溫，摔倒檢測數據等。若未能及時發現異常，病人很可能得不到及時救助甚至死亡。因此體域網需要連續實時檢測體征信號，當檢測到異常應及時反饋給終端，因此要求傳輸時延盡可能小。

（3）通信帶寬。在通信帶寬受限的條件下，要求傳送數據占用的帶寬越小越好，否則帶寬資源易被消耗殆盡，造成網絡阻塞，甚至癱瘓。為保證數據的可靠傳輸，帶寬占用量越少越好。

（4）數據量。遠程端為實時監護病人的生理狀況，需要獲取全面多方位的信息，因而需要獲取大規模感知數據。只有保證大量足夠的數據，遠程端才能進行全面準確的分析，并將正確的信息反饋給用戶。

由此可見，體域網的這些難題很難同時克服。傳輸時延與網絡能效要求相沖突，而數據量與節點能耗，通信帶寬的要求相沖突。因而解決這些沖突問題，實現沖突目標的均衡題是體域網通信的關鍵技術。

3兩類網絡通信的關鍵技術

3.1 心電監護網絡通信的關鍵技術

心電監護網絡是體域網在醫療健康領域的一類特殊應用，通過無線傳感器實時采集人體的心電信號，并實時分析或者傳送給醫生進行在線分析和診斷，這克服了傳統ECG檢測方法記錄時間短、記錄數據少、不易發現偶發性問題、不能24小時實時監控等缺點，它具有記錄時間長、記錄數據全、靈活方便、實時性等優點。由于心電信號人體的重要生理參數，稍有延遲，就有延誤病人的最佳治療時機，甚至危及生命，因此，心電監護網絡對傳輸時延要求高。同時，為減少節點能耗，延長網絡生命周期，須適度降低數據傳輸速率，但這樣會增加心電數據的傳輸時延。因而，傳輸時延與節點能效要求相沖突，研究心電監護網絡的兩目標沖突問題，達到時延與能效的均衡是心電監護網絡通信優化的關鍵。

3.2 基于云環境的體域網通信關鍵技術

基于云環境的體域網為全面檢測病人的生理健康狀況，通過布設多類傳感器（溫度、血壓、血氧飽和度、運動傳感器等）采集人體的各類生理感知數據。在通信帶寬占用量受限，傳感器節點能量有限的條件下，云端需獲取大規模感知數據。但是，獲取大規模數據時，通信帶寬和傳感器節點能耗將相應增加，因此通信帶寬，節點能耗和數據量三者之間與現實要求相沖突。因此設計合適的算法解決上述三目標的沖突問題是該網絡通信優化的關鍵技術。

4 小結

簡要介紹體域網的3層網絡架構，分析各層的組成、功能，針對體域網的通信協議IEEE802.15.4和IEEE802.15.6，分析通信中的時延、數據量、節點能耗和通信帶寬等技術難點;進而，得出兩類體域網通信優化的關鍵技術。

參考文獻：

[1] Ghamari M， Janko B， Sherratt R S， et al. A Survey on Wireless Body Area Networks for eHealthcare Systems in Residential ? Environments[J]. Sensors， 2016， 16（6）：234-251.

[2] Hyun W S， You I， Jang J S， et al. A Wireless Body Sensor Network and Its Applications： Rehearsal with a Smartphone[C]// International Conference on Innovative Mobile and Internet Services in Ubiquitous Computing. 2016：415-418.

[3] 馬聰聰，李文鋒.基于體域網和云服務的智能穿戴系統研究與實現[J].小型微型計算機系統，2016，37（4）：778-781.

[4] 居征宇，喻劍.面向無線體域網的低功耗多頻道MAC協議[J].小型微型計算機系統，2016，37（1）：78-82.

【通聯編輯：唐一東】