无线体域网的体系结构及面临的挑战

刘璐　薛秀芹　罗先露　金凡　孙俊

摘要：作为物联网的重要组成部分，WBAN被广泛应用于医疗保健方面来提高人民医疗保健的水平，并因此日益受到研究人员和企业的关注。该文围绕WBAN的概念、研究现状和发展趋势给出了较全面的介绍并分析了体域网发展所面临的挑战，最后对WBAN未来研究给出了展望。

关键词：体域网；物联网；节点；信息传输

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044（2012）29-6918-03

人口高龄化是一种全球性的发展趋势。根据联合国的调查预测，2030 年中国65 岁及以上高龄人口将占总人口的15.7%。全球人口老龄化以及医疗成本上升导致世界卫生保健基础设施的紧张。在中国，曾经的婴儿潮一代正进入一个受到慢性疾病影响的年龄段。根据卫生部的统计，目前我国60岁以上的老人已经超过1.8亿，而且每年还以500万-800万的数量不断增加，人口老龄化所带来的慢性疾病、医疗保健以及老年生活质量等问题已经成为我国社会发展的重要挑战。

由于疾病负担的加重，医疗保健系统将无法提供足够的专业人士来照顾病人。我们正处在一个用以往成熟科技满足当今急需解决的医疗需求的时期，例如如何提高卫生保健覆盖率和质量、降低卫生保健成本。无线体域网技术就是解决该问题的重要手段之一。本文将围绕WBAN的概念、研究现状和发展趋势进行介绍并分析体域网发展所面临的挑战，对WBAN未来研究给出展望

1 WBAN体系结构概述

1.1 WBAN的概念

无线体域网（WBAN，Wireless Boay Area Network），是以人体为中心，以采集人体各种生理参数为目的，由分布在人体表面或植入人体内部的传感器及个人数据采集处理终端组成的通信网络。通过WBAN，人可以和其身上携带的个人电子设备（如PDA、手机等）进行通信、数据同步等。WBAN可以和其它数据通信网络（比如其他人的WBAN、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PC、手机、电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等）进行通信【1】。

1.2 WBAN的应用举例

作为物联网【2】的组成部分之一，无线体域网广泛应用于远程医疗诊断、疾病监控和预防、家庭看护等方面，并日渐成为研究和应用的热点.

WBAN的无线传感节点按照其分布与人体的位置可大致分为四类：1）分布在人体体表的传感器节点，通常为可穿戴式，如心动电流描记仪，集成化脉搏传感器，体温传感器，指环式心率感知器，脉搏率检测传感器；2）植入人体体内的传感器节点，如心脏起搏器，胰岛素泵；3）置于人体内膜表面的传感器节点位于人体周围较近距离的传感器节点（即可吸入的传感器节点），如吸入式药丸摄像机，吸入式药丸温度测量仪；4）位于人体周围较近距离的传感器节点，如脑电图扫描仪。图1描述了以上传感器在人体上或体内的大致位置。

WBAN的无线传感节点按其监测目的可大致分为一下几种：1）位移传感器，用以监测血管内外径，心房、心室尺寸，骨骼肌、平滑肌的收缩等；2）速度传感器，主要用于测量血流速度、排尿速度、分泌速度、呼吸气流速度等；3）振动（加速度）传感器，应用于监控各种生理病理声音，如心音、呼吸音、血管音，搏动，震颤等；4）力传感器，应用于检测肌收缩力、咬合力、骨骼负荷力、粘滞力等，五，压强传感器，主要用于测量血压、眼压、心内压、颅内压、胃内压、膀胱内压、子宫内压等。此外，还有力传感器，流量传感器，温度传感器，电学传感器，辐射传感器，光学传感器等等。

1.3 WBAN的体系结构

通常一个个人传感网包含以上一个或多个节点，由这些节点共同采集数据，通过无线网络汇集至个人数据采集处理终端，并在必要时与外部网络进行通信。该无线传感网目前多采用先分布式采集或感知、再集中式处理的工作模式。大致可划分为如下三层，见图2。

第1层包含一组具有检测功能的传感器节点或设备，这些节点通常设计的比较简单，主要主要用于采集一种人体的生理数据或者该节点所在环境（如人体内部）的状况；第二层是个人佩戴或家庭自有的个人数据终端，节点采集的数据将被传送至此，并进行简单的分析整合。这一层还对路由器与外部网络进行连接。通常可以是专门的移动个人服务器【3】 ，也可以是手机，MP3等非医疗领域的设备；第三层是包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络，通常由医院等医疗机构所有，负责监控它辖域内的个人数据终端，对它们所传递的信息进行分析、判断、储存，并提醒医护人员作出及时正确的医疗救助。以上三层间通过无线信道传输数据并涉及多种协议。

2 WBAN 的发展现状及代表性研究项目

2.1 WBAN 的发展现状

WBAN目前仍处在发展早期阶段，在毫瓦级网络能耗、互操作性、系统设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战，但国际上已经开展了对BAN的广泛研究。为了让BAN 成为医疗保健领域长期监视和记录人体健康信号的基本技术，医疗技术提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士正在开展战略性合作【4】。

无线体域网国际会议（International ICST Conference on Body Area Networks）从2007年至今已成功举办了六届，目前第七届无线体域网国际会议正在筹办当中，会议将对无线体域网的集成和部署，RFID标签，以及构造多样化和使用话的人体内部及周围的传感网络进行讨论，实现生理监控、人机交互，并提对娱乐的支持【5】。

2.2 代表性研究项目

在国际上，WBAN较为成功的应用是远程医疗健康监护，很多研究机构开展了一些关于人体域通信方面的项目研究。MobiHealth项目由Twente大学和Ericsson公司共同完成。MobiHealth项目在2002年5月发起，2004年2月完成，已经开发了基于2.5G（GPRS）/3G（UMTS）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MobiHealth BAN和为病人和健康专业人士服务的通用BAN服务平台。此外还有，比利时国家科学研究基金会资助的F.W.O.BAN项目，IEEE 802.15委员会成立的致力于开发用于健康护理服务的短距离无线技术的TG.BAN小组【6】。我国也开发了用于中医脉象信息收集及分析的无线网络远程医疗系统【7】。

3 WBAN 的发展前景展望及面临的挑战

3.1 WBAN发展前景展望

WBAN有着广阔的应用前景，其未来发展趋势有以下几个方面：

1）无线体域网应用的多样化。体域网最初应用于医疗保健、身体康复领域，近年来已逐步向其他领域发展，在娱乐，体育运动，军事，建筑等领域都有广泛的应用。目前已有的无线交互舞蹈表演系统，运动反应时的测量系统、战士生理状态监控及救助、真实环境下防跌倒监都是比较成功的例子。

2）无线体域网与生物科技、多种通信技术及组网技术的紧密结合。第七届无线体域网国际会议要点提出，要从分子到微观层面对体域网进行讨论，另外，超宽带（UWB）作为一种重要的近距离通信技术，WAN上也拥有广阔的发展空间。

3）体域网的规范化。2012年，推进近距离无线通信标准化的美国IEEE的802.15工作组正式批准了由人体周边配置的各种传感器及器件构筑的近距离无线网络的标准“IEEE 802.15.6”。 BAN的标准化讨论从2007年开始，经过约5年时间终于完成了标准制定工作。这无疑将对无线体域网的规范化、标准化发展有所助益。由此体域网有了具体的、统一的标准。

3.2 WBAN面临的挑战

1）节能技术。由于现实状况，很多节点在植入体内后便无法轻易取出，因此对节点的长期持续供能便成为体域网设计时所要考虑的最重要问题之一。低功率低电压，高集成度是节点的设计目标，另外，考虑到节点与个人数据终端的数据传输，一个好的无线电接口及其优化策略的设计也能很好地促进传感器节点操作上低能耗的性能。

2）传感器及终端的安全问题。WBAN的传感器及终端多分布于人体体内或表面，因此不伤害人体组织是产品研发的先决条件，除了材料本身的安全，通信过程中所产生的各种辐射对人体的影响也要考虑在内。也因此此类产品的生产会受到严格的约束。

3）数据的整合。持续而全面的数据采集将产生大量的数据，如何筛选整合有用的数据，剔除冗余信息，将是WBAN发展中的一大难题。

4）信息的安全。信息安全是各个领域所面临的共同问题。体域网收集并传递大量人体生理数据，一旦这些数据泄露，将带来严重的后果。尤其是在体域网已应用于军事等领域的今天，信息安全的问题便更加凸显了出来。

4 结束语

WBAN是解决世界人口老龄化所带来的医疗资源紧张，看护困难的问题的重要手段，并在其他领域发挥越来越大的作用，作为物联网工程的重要组成部分，具有广阔的应用前景且研究意义重大，我国在WBAN方面也开始投入研究并取得了一定成果。但是，目前WBAN不仅面临一些自身技术挑战，同时还存在一些不能独力解决的问题和限制。

参考文献：

[l] Otto C，Milenkovic A，Sanders C，Jovanov E.System architecture ofa wireless body area sensor network for ubiquitous health monitoting[J].Journal of Mobile Multimedia，2006，1（4）：307-326.

[2] ITU互联网报告2005：物联网，ITU The Internet of Things Interne to Things_summary.

[3] Jang C S.Lee D G.Han J W A proposal of security framework for wireless body area network 2008.

[4] 比特网，http：//news.chinabyte.com/190/11166190.shtml.

[5] BODYNETS， http：//bodynets.org/2012/show/home

[6] 陆凯.无线体域网（WBAN）通信关键技术研究[D].南京：南京邮电大学，2009.

[7] 宫继兵，王睿，崔莉.体域网BSN的研究进展及面临的挑战[J].计算机研究与发展，2010（5）.