陳文

[編者按]無線體域網(wǎng)是個人健康信息采集與傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段之一，具有重要現(xiàn)實意義和產(chǎn)業(yè)化前景，受到工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和標(biāo)準(zhǔn)化組織的廣泛關(guān)注。另外，IEEE 802.15.6 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是目前國際上公認(rèn)的一款適用于健康信息采集的未來超短距無線體域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。講座將分3期對該技術(shù)進(jìn)行介紹：第1期講述無線體域網(wǎng)的背景、研究動態(tài)和技術(shù)特征；第2期對無線體域網(wǎng)的頻段選取、信道建模、MAC層協(xié)議、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)特征進(jìn)行介紹；第3期介紹無線體域網(wǎng)的節(jié)點設(shè)計、數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用場景的相關(guān)問題。

1 無線體域網(wǎng)的背景

目前，人口高齡化是一種全球性的發(fā)展趨勢。根據(jù)聯(lián)合國的調(diào)查預(yù)測，2030年中國65歲及以上高齡人口將占總?cè)丝诘?5.7%。全球人口老齡化以及醫(yī)療成本上升導(dǎo)致世界衛(wèi)生保健基礎(chǔ)設(shè)施的緊張。根據(jù)衛(wèi)生部的統(tǒng)計，現(xiàn)在中國60歲以上的老人已經(jīng)超過1.8億，而且每年還以500萬～800萬的數(shù)量不斷增加，人口老齡化所帶來的慢性疾病、醫(yī)療保健以及老年生活質(zhì)量等問題已經(jīng)成為中國社會發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。由于疾病負(fù)擔(dān)的加重，醫(yī)療保健系統(tǒng)將無法提供足夠的專業(yè)人士來照顧病人。同時，由于便利或成本的原因，越來越多的人會不選擇去醫(yī)院，希望能通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)獲得醫(yī)療幫助。因此，醫(yī)學(xué)的進(jìn)步、人類壽命的延長以及人們對自身健康的關(guān)注，將推動基于無線個域網(wǎng)（WPAN）和無線體域網(wǎng)（WBAN）的電子健康解決方案的研發(fā)。

圖1是BAN的整體架構(gòu)。WBAN是以人體為中心，由和人體相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素（包括個人終端，分布在人身體上、衣物上、人體周圍一定距離范圍如2 m內(nèi)、甚至人身體內(nèi)部的傳感器、組網(wǎng)設(shè)備等）組成的通信網(wǎng)絡(luò)。通過WBAN，人體傳感器可以和其身上攜帶的個人電子設(shè)備如PDA、手機等進(jìn)行通信；通過WBAN和其他數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)（比如其他人的WBAN、無線/有線接入網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等）組成一個整體通信網(wǎng)絡(luò)，它能夠和網(wǎng)絡(luò)上的任何終端如PC、手機、電話機、媒體播放設(shè)備、數(shù)碼相機、游戲機等進(jìn)行通信。WBAN將把人體變成通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，從而真正實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的泛在化?？纱┐饔嬎愫头涸谟嬎阋矊㈦S著WBAN的普及應(yīng)用成為人們?nèi)粘Ｉ畹幕咎卣?。WBAN目前仍處在發(fā)展早期階段，在毫瓦級網(wǎng)絡(luò)能耗、互操作性、系統(tǒng)設(shè)備、安全性、傳感器驗證、數(shù)據(jù)一致性等方面面臨一系列挑戰(zhàn)，但由于WBAN的重要性及對未來醫(yī)療保健和助老助殘等社會問題的深遠(yuǎn)影響，越來越多的人員投入到WBAN的研究中。為了讓W(xué)BAN 成為醫(yī)療保健領(lǐng)域長期監(jiān)視和記錄人體健康信號的基本技術(shù)，醫(yī)療技術(shù)提供商、醫(yī)院、保險公司以及工業(yè)界的各方人士正在開展戰(zhàn)略性合作。

2 無線體域網(wǎng)的研究動態(tài)

在工業(yè)界，全球已有很多與WBAN相關(guān)的項目正在研究中。在歐洲，F(xiàn)P7 REACTION 項目的研究目標(biāo)是開發(fā)一個技術(shù)平臺和試點應(yīng)用，用來提高病人體內(nèi)和體外的糖尿病防控。FP7 WEARBAN項目是為低功率的體域網(wǎng)（BAN）引入一個智能的接口，這樣BAN系統(tǒng)就可以安裝在智能衣服、復(fù)原機器人或者視頻游戲中增加真實性等應(yīng)用上。FP7 WISEBED 項目是為大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一個多層次、相互鏈接的測試設(shè)備平臺，該項目主要用于科研，將硬件、軟件、算法和數(shù)據(jù)有機地結(jié)合了起來。它用來闡述不同結(jié)構(gòu)的小型設(shè)備和測試床如何能夠很好地結(jié)合成大規(guī)模的結(jié)構(gòu)，而不是簡單的大型網(wǎng)絡(luò)。另外，WiserBAN 項目主要研究適用于WBAN中的超小型和超低能耗的射頻（RF）微系統(tǒng)，研究的重點是用超低能耗的片上系統(tǒng)、RF和低頻率的微機電系統(tǒng)（MEMS）、微小的可重構(gòu)天線、微小的包系統(tǒng)、傳感器信號處理系統(tǒng)和可變的通信協(xié)議來實現(xiàn)WBAN的微縮化。中國也開發(fā)了用于中醫(yī)脈象信息收集及分析的無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過搭建一種新的WBAN網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用無線通信技術(shù)、輕量級的數(shù)據(jù)融合模型以及一系列處理、分析和識別算法，采集中醫(yī)脈象信息、抽取脈搏波波形特征點，智能處理和分析特征點信息，并給出診斷結(jié)果（如高血壓和冠心病等）。

在學(xué)術(shù)界，英國帝國理工大學(xué)開展了對WBAN中情景感知和周圍環(huán)境感知的研究；美國加州大學(xué)和伯克利大學(xué)等重點對WBAN可穿戴性、可擴展性和資源優(yōu)化等進(jìn)行研究；中國香港中文大學(xué)等基于多種通信方式構(gòu)建混合的WBAN，并對移動WBAN中跟蹤和能量感知多媒體介入控制（MAC）進(jìn)行了相關(guān)研究；韓國信息通信大學(xué)等從低能耗和通信的角度構(gòu)建新型的WBAN系統(tǒng)；新加坡國立大學(xué)等對WBAN的架構(gòu)展開了深入研究；上海交通大學(xué)研制了對腸胃數(shù)據(jù)獲取的微型機器人和對人體體溫、血糖、血壓等身體指標(biāo)感知傳輸系統(tǒng)；中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所構(gòu)建了新型的WBAN平臺并對WBAN中數(shù)據(jù)融合技術(shù)展開了研究；中國科學(xué)院自動化研究所研究WBAN對人體活動的監(jiān)控。此外，中國臺灣以及世界的其他地方如加拿大、德國、愛爾蘭、巴西、比利時和瑞士等地區(qū)或國家在WBAN的自適應(yīng)性和可調(diào)節(jié)性、中間件、信號處理算法、健康及活動監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面的研究也取得了進(jìn)展。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，推進(jìn)近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)化的IEEE 802.15工作組2012年正式批準(zhǔn)了由人體周邊配置的各種傳感器及器件構(gòu)筑的近距離無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.6[1]。WBAN的標(biāo)準(zhǔn)化討論從2007年開始，經(jīng)過約5年時間終于完成了標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。這無疑對WBAN的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展有所助益。

3 無線體域網(wǎng)的技術(shù)特征

WBAN是一個交叉技術(shù)領(lǐng)域，和WPAN、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)（USN）、無線短距離通信以及移動通信都有密切的關(guān)系，并且具有非常廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場潛能。一般意義上的WPAN 是指個人通信設(shè)備（如PC、手機、媒體播放器、PDA、數(shù)碼相機等）之間的聯(lián)網(wǎng)和通信。而WBAN則是各種放置在體表、人體周圍、植入人體的傳感器和個人通信設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。WSN目前的應(yīng)用很廣泛，遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷和監(jiān)護其實是WSN 的一個非常重要的方面。傳感器網(wǎng)絡(luò)的泛在化導(dǎo)致了USN的出現(xiàn)。USN 其實是一種面向應(yīng)用和業(yè)務(wù)的體系架構(gòu)，通過這種公共的架構(gòu)可以支持各種傳感器網(wǎng)絡(luò)和IP 的公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)相互連通，實現(xiàn)固定與移動的融合（FMC），并提供各類業(yè)務(wù)和應(yīng)用。和其他的短距離無線通信技術(shù)相比，WBAN 要求在相同的功率下，數(shù)據(jù)傳輸速率更高；或者在相同的數(shù)據(jù)傳輸速率下，需要的功率更低。傳感器技術(shù)是WBAN 的重要基礎(chǔ)，小型化、智能化、高精度、低功率的各類傳感器是支持WBAN 的必要條件。尤其對于植入到人體內(nèi)部的傳感器，低功率是非常關(guān)鍵的性能。這些傳感器只能靠電池來驅(qū)動，有限的電池能量需要在相當(dāng)長的傳感器生命周期內(nèi)支持傳感器的正常工作。因此，WBAN 中的傳感器，有的具有從周邊環(huán)境自動收集能量的能力，比如利用人體組織的熱量轉(zhuǎn)換電能等[2-4]。

雖然移動通信網(wǎng)絡(luò)、WSN 和WBAN 三者之間相互關(guān)聯(lián)，但由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，它們也存在很多不同之處：比如在流量特征上，移動通信網(wǎng)絡(luò)主要是高比特率的多媒體數(shù)據(jù)，WSN是和應(yīng)用相關(guān)的零星突發(fā)的數(shù)據(jù)，而WBAN 是存在持續(xù)數(shù)據(jù)量的，并且比特率比較低；在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞矫妫苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)架構(gòu)上是基本不變的，WSN 支持隨機和動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，WBAN 也需要支持動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?；在對于能源的需求方面，WSN 和WBAN 都要求電池能夠使用數(shù)年，對低功耗要求較高；在總體設(shè)計思想上，移動通信網(wǎng)絡(luò)追求的是高帶寬利用率、高頻譜利用率、服務(wù)質(zhì)量（QoS），而WSN 和WBAN 都首先要追求高能量有效性、網(wǎng)絡(luò)的自主操作性和成本低廉，除此之外從抗干擾和保護人類健康的這兩個角度出發(fā)，WBAN還要求對于電磁干擾具有良好的屏蔽能力。

WBAN的通信性質(zhì)與其他方式的通信不同。其中一個顯著的區(qū)別是，由于不同的天線及其布局以及身體的移動性，WBAN 的射頻信道具有在延遲和衰減中的可變性，并依賴于人體的物理特性。體質(zhì)和身體的運動會影響接收端信號的強度。WBAN中常用的3種節(jié)點是：

· 體表節(jié)點，是指安置在距離皮膚2 cm以內(nèi)的節(jié)點。

· 植入節(jié)點，指安置在皮膚以下的節(jié)點，它可以在皮下或人體組織的深處。

· 外部節(jié)點，指安置在人體以外（從幾dm到5 m不等）的節(jié)點。

而基于通信節(jié)點的實現(xiàn)場景可分為：體表到外界，體表到體表，植入物到外界，植入物到體表，植入物到植入物。而人體上兩點間的通信電波是非平穩(wěn)的，即便是在靜止的條件下，身體還是會有細(xì)微的運動。在正常的運動下，變化會非常劇烈，特別是在參加體育運動時，變化會異常劇烈。因此，電波的描述一方面要與身體上的終端位置變化有關(guān)，另一方面也要與幾何環(huán)境的動態(tài)變化有關(guān)。幾何環(huán)境的變化會影響天線的運作，特別是輸入匹配和傳輸模式的運作。天線和傳輸損失的變化是可以利用的，并以此達(dá)到最大的信道容量和最小的功率消耗。因此，無線信道建模與分析是研究WBAN的一個重要基礎(chǔ)。

WBAN中MAC層和PHY層的高層特征可以概括為如下：

· 根據(jù)不同的應(yīng)用，功率消耗應(yīng)允許自供電運行時間從幾個小時到數(shù)年不間斷。

· 當(dāng)需要的時候，安全性需基于能量有效性，它應(yīng)能以最小的開銷支持基本的身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性和密碼操作。

· WBAN和其他通信環(huán)境的共存，以及醫(yī)療環(huán)境下的BAN 間共存（電磁兼容性/電磁波吸收比值）。

· 電磁干擾（SAR）進(jìn)入人體必需滿足相關(guān)監(jiān)管規(guī)定。

· WBAN應(yīng)能恢復(fù)鏈路和節(jié)點故障造成的數(shù)據(jù)損失。

在WBAN的某些應(yīng)用中，設(shè)備必須不間斷地運行數(shù)月甚至數(shù)年，而另一些時候電池需工作數(shù)十小時。這依賴于設(shè)備的大小和應(yīng)用的場景。比如，心臟除顫器和起搏器都可以工作超過5年，相反吞咽式的攝像藥片只有12 h的生命周期。絕大部分非醫(yī)療設(shè)備都要求非工作狀態(tài)下，設(shè)備可以待機100～200 h，激活工作時間為數(shù)小時。超低功耗是植入設(shè)備長時間工作的一項重要要求。在一些應(yīng)用中，要針對其設(shè)計功率限制方案。峰值功率消耗和平均功率消耗需最小化以支持微小電池和最大化電池壽命。最基本的方法就是讓不常用的組件在絕大部分時間不占用資源。一個有效的管理方案是使得元件的占用資源時，盡量減少空閑，減少干擾，控制和錯誤。對于低占空比的元件，應(yīng)當(dāng)進(jìn)入睡眠模式。簡而言之，PAN和BAN的功率控制可能是關(guān)系到一個人的生命的重要問題[5]。

另外，在WBAN的應(yīng)用中需要考慮到當(dāng)身體在移動時，節(jié)點需有可靠通信的能力。由于不穩(wěn)定的信道狀態(tài)引起的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)容量下降是允許的，但是不能造成數(shù)據(jù)的丟失。上述的應(yīng)用可能包括由于走路、揮動手臂、跑步、彎腰、旋轉(zhuǎn)、跳舞或者坐立等引起的身體移動，從而導(dǎo)致信道衰落和遮擋效應(yīng)。單獨的節(jié)點可能會相對其他節(jié)點移動，而整體的WBAN可能會產(chǎn)生絕對的位移。這種絕對的位移會產(chǎn)生變化的干擾和共存環(huán)境。同時，BAN 設(shè)備需要與其他的BAN設(shè)備或者傳統(tǒng)裝置共存。這些設(shè)備可能需要在由物理層引起的干擾環(huán)境或者進(jìn)入物理層的干擾環(huán)境中操作。這些特性可能由高層次（物理層以上）來協(xié)調(diào)。這些設(shè)備需要能夠在高噪聲、高多徑和動態(tài)的環(huán)境中操作。物理層需要能夠支撐一定程度的信道間和信道外干擾。醫(yī)療BAN應(yīng)用涉及大量的隱私、人體安全性，甚至關(guān)聯(lián)到財產(chǎn)問題。安全和隱私是病人、醫(yī)生和醫(yī)療服務(wù)提供者主要考慮的因素。在傳輸加密的人體生理數(shù)據(jù)的時候，需要避免病人數(shù)據(jù)被串音。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量超出了系統(tǒng)容量的時候就會發(fā)生拒絕服務(wù)（DoS）。DoS的發(fā)生與惡意用戶的故意行為和無意過度使用網(wǎng)絡(luò)緊密相關(guān)。

綜上所述，醫(yī)療信號涉及到身體健康的關(guān)鍵因素，對于可靠性、準(zhǔn)確性、安全性和一些延遲等有著非常嚴(yán)格的要求。 （待續(xù)）

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