无线体域网资源分配研究

（重庆邮电大学，重庆 400065）

无线体域网资源分配研究

张莉

（重庆邮电大学，重庆 400065）

无线体域网旨在提供实时的、无处不在的人体监测来执行独立的早期预测、诊断和身体跟踪响应的护理，并日渐成为研究和应用的热点。随着WBAN在人类日常生活中的重要性日趋突出，专用于无线体域网的标准IEEE802.15.6于2012年颁布。本文主要针对多个体域网网间和单个体域网内部的资源分配进行研究，考虑WBAN的异质性以及传感器节点的异质性，同时对体域网资源分配的研究现状和不足进行分析和总结。最后，分析了无线体域网资源分配需要解决的问题和未来研究的方向。

无线体域网；网间资源分配；网内资源分配

目前无线体域网（WBAN，Wireless Body Area Network）倾向于是无线个域网的延伸，在近距离无线通信领域，虽然存在无线个域网技术，但体域网这一概念将近距离无线通信的传输距离规定得更短，从而限定在人体周围。WBAN就是以人体为中心，由分布在人身体上、衣物上、甚至人身体内部的各个节点和个人终端等组成的通信网络。通过WBAN，人可以和其身上携带的个人电子设备如个人数字助理、手机等进行通信，数据同步等，也可以在多个WBAN之间实现信息的交互。

无线体域网虽然是无线通信技术的进一步发展和延伸，但是由于无线体域网中的很多设备主要在人体周围或者体表甚至体内工作，所以无线体域网较传统无线传感器网络和ad-hoc网络有很多独特的特点：无线体域网的传输范围小；无线体域网传输技术对人体的伤害必须小；无线体域网中节点的异质性；无线体域网用户的异质性；无线体域网中的各个节点的生命周期长；无线体域网需要具有移动性；无线体域网中数据的安全性；无线体域网的节点体积要小。

无线通信技术的飞速发展，使可用的有限无线频谱资源十分珍贵。而无线体域网由于其自身的特点和要求，对无线频谱资源的要求更为苛刻，必须实现能够充分利用所分配的频谱资源的同时也要保证对人体健康没有伤害，故WBAN所能使用的频谱资源是相当有限的。也就使得已有的应用于其它无线网络中的网络协议和算法并不能直接适用于无线体域网，因此必须寻找新的满足无线体域网特征和需求的网络通信协议和算法。

鉴于WBAN共享频谱资源，于是当多个WBAN物理上相距较近时，若每个WBAN各自独立地使用频谱资源进行信息传输，必然导致WBAN之间的干扰。如果此情形下能够将多个WBAN组织起来，协调资源，自然能够有效消除它们之间的干扰。本文试图从无线体域网网间资源分配和网内资源分配两个方面，阐述现有的研究如何实现网间干扰消除，网内资源分配，并对这些方法进行简要的阐述总结，最后指出网间资源和网内资源分配的新思路。

1 无线体域网标准协议

为了协调不同国家和地区的研究机构和企业在WBAN研究中存在的不可避免的差异性，国际标准化组织IEEE一直积极推动WBAN和其相关技术标准的制定。IEEE802.15.4工作组自1998年3月成立以来，主要致力于无线个域网络（WPAN，Wireless Personal Area Network）物理层和媒体接入控制层的标准化。由于WBAN被认为是WPAN的扩展和延伸，因此，IEEE把WBAN的标准化工作纳入IEEE802.15工作组。2003年10月，IEEE802.15工作组推出了用于低速无线个域网的IEEE802.15.4标准。2007年11月，IEEE 802.15工作组正式建立了第6任务组TG6，致力于WBAN的标准化工作。从此，无线体域网很多技术的研究开始朝着统一的概念和标准迈进。2012年4月，IEEE工作组正式提出了应用现有的工业、科学和医疗(ISM)频段的针对人体内外的短距离通信的IEEE802.15.6标准——无线体域网。这也标志着体域网的发展翻开了崭新的一页。

该标准定义了一种介质访问控制(MAC)层来支持多种物理(PHY)层。简要概述了PHY层和MAC层规范以及IEEE 802.15.6标准的带宽效率。并且对网络层，跨层协议和服务质量做了一个简单的介绍，还讨论了标准的安全模式。目前，IEEE 802.15.6标准定义了两种频谱使用方式： 窄带（频分）和宽带（UWB）； 两类信道：无线信道和人体信道；3种接入模式：信标超帧模式、非信标超帧模式和非信标非超帧模式；3种PHY层：窄带(NB)层，超宽带(UWB)层和人体通讯(HBC)层。每个PHY的选择都取决于应用的要求。在它的顶部，该标准定义了一个完善的MAC协议控制访问通道。

在IEEE802.15.6标准中定义，窄带频谱被规划为7个频段，分别是：402～405 MHz，420～450 MHz，863～870 MHz，902～928 MHz，950～958 MHz，2 360～2 400 MHz，2 400～2 483.5 MHz。每个频段又被划分为不同数目的信道。超宽带工作频段可以分为低频段（3.25～4.75 GHz）和高频段（6.6～10.25 GHz），每个频段被划分为不同的信道，低频段共有3个信道，高频段的信道数目为8，不同中心频率之间的信道间隔相同，为499.2MHz。另外，由于WBAN是以人体为中心的，不同类型的人对其需求程度各不相同，所以WBAN异质性。而WBAN节点异质性主要体现在信道质量、通信距离、功能、几何大小、数据通信量需求、能耗大小、电池剩余量以及其它传感器节点的关联性等方面的差异性。

2 组网架构

在IEEE802.15.6标准中规定了WBAN网络架构有两种基本形式：单跳的星形和多跳的扩展星形，如图1所示。

图1 WBAN的网络拓扑示例

典型的自组织网络结构模型主要有分布式、集中式和混合式3种。在WBAN网络中，若是把单个WBAN看做是一个用户，那么WBAN组网方式可以借鉴自组织网络的组网方式。所以WBAN网间组网方式也有集中式和分布式两种基本方式，如图2所示。WBAN的组网方式和规模与组网开销、服务质量、人体类别、能量消耗等密切相关。

采用集中式组网时，由控制中心（CC）集中实施各WBAN的频谱资源管理与分配。各WBAN向CC提交相关信息，如数据通信量需求和WBAN异质性（可以是WBAN优先级），然后CC根据已有的频谱资源和从各WBAN获取的相关信息，基于一定的公平性准则统筹频谱资源的分配。

采用分布式组网时，WBAN之间需要交换相关信息。考虑到网络中WBAN的退出或新的WBAN的加入，网络中的每一个WBAN均需要即时更新这些消息。基于一定的公平性准则，WBAN之间可采用协作或非协作的方式使用频谱资源，如何引入合作博弈或非合作博弈理论指导频谱分配。

3 相关研究现状

目前，有关体域网的研究大部分都集中在物理层。而对于体域网中的MAC研究，很多研究者都是在直接假设星型拓扑是最佳拓扑的情况下进行的。

4 存在的问题及进一步的工作

图2 WBAN组网示例

对于体域网来说，由于采用无线链路和电池供电，以及WBAN用户使用的Hub终端不同，WBAN可以使用的带宽资源和能量资源十分有限，且带有一定的差异性，以致链路间干扰问题很难处理。所以要求处于同一密集空间下的体域网间能够合理分配信道资源，此外体域网中的节点也要合理使用信道资源，但又必须要考虑到最大限度的减少对人体的影响或者是伤害，因此研究体域网在能量和资源受限的情况下，如何合理的分配资源以使得效用最大化成为热点。

4.1 网间资源分配存在的问题及进一步的工作

随着WBAN技术的发展，多个WBAN同时出现的场景会越来越常见，如监护中心、娱乐中心等。有关WBAN网间的研究大部分都是针对如何降低网间干扰，主要包括功率控制、组网方式、接入模式与媒体访问控制等方面，其中资源分配也是降低干扰的有效途径之一。由于新制定的IEEE802.15.6标准只给出了单个体域网内部的相关规定，并未涉及多个WBAN，所以本文认为对于网间资源问题目前主要存在以下4个方面亟需解决。

（1）新标准中并未给出多个WBAN组网方式，也未涉及到如何分配有限资源才能够减少WBAN之间的干扰并且实现资源的合理利用，可以考虑参考自组织网络组网特性进行组网设计。

（2）多个WBAN组网的容量最大化问题。在给定频谱资源和有多种约束条件下，多个 WBAN组网规模大小。并且针对组网规模大小，WBAN类型等因素，来考虑选择何种组网方式进行组网，来尽可能的减少网间干扰，降低能耗。

（3）考虑不同组网方式对资源分配的影响，针对不同组网方式设计最优资源分配方案，获得资源分配的合理性和WBAN用户的公平性。

（4）考虑WBAN的异质性对资源分配的影响，既考虑尽可能多的为WBAN提供服务，又要考虑满足各种不同优先级WBAN的服务质量要求，如需求程度高的用户可以获得优先分配资源的权利。

4.2 网内资源分配存在的问题及进一步的工作

目前有关体域网资源分配的研究，大部分研究文献或者研究对象都是针对于标准IEEE802.15.4来开展的，而针对新出的IEEE802.15.6标准所做的研究相对来说比较少。这也使得以前的部分研究较现有标准有了一定的偏差性。不能很好的和现有标准匹配结合起来。所以本文对存在的问题和未来的研究方向提出以下几方面的思路。

（1）在现有研究工作的基础上，重新结合IEEE802.15.6标准来进行系统和深入的研究设计。针对不同的信道资源特性和WBAN业务特性，来设计最优的网内资源分配方案。

（2）考虑WBAN中节点的异质性，根据传感器节点所传输信息对人体的重要程度的不同来设置优先级，优先分配信道资源，来满足WBAN旨在监护人体健康的目的。

（3）建立一个梯度方案，将多个无线体域网间的资源分配与单个无线体域网内的资源分配有效的结合起来，形成完善的WBAN资源分配方案。

5 结论

无线体域网资源分配方案是实现有限频谱资源有效利用的根本保障，在能量和资源受限的情况下，研究体域网如何合理的分配资源以使得效用最大化成为热点。

本文主要是从网间资源分配和网内资源分配两个方面，对近年来国内外在该相关领域的主要研究成果进行分析、阐述和总结，并且提出了尚未解决的问题，为进一步研究提出了新的课题和思路。

Survey of resource allocation in wireless body area network

ZHANG Li
(Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A wireless body area network aims to provide real-time and ubiquitous body monitoring to perform autonomous early prediction, diagnostic, and tracking the response of the body to treatments, becoming a hotspot of research and application. As the importance of WBAN in daily life has become increasingly prominent. The standard IEEE 802.15.6 was published in 2012, which was specifically designed for WBAN. This article focuses on the resource allocation problem in and between WBAN, considering the heterogennity of WBAN and sensor node, analyzing the research status and the insufficient of resource allocation. Finally, several key issues of resource allocation problem in and between WBAN are discussed and future directions are pointed out.

WBAN; resource allocation of inter WBAN; resource allocation of intra WBAN

TN929.5

A

1008-5599（2014）08-0033-04

2014-06-05