无线体域网组网及管理研究综述*



无线体域网组网及管理研究综述*

张政

（重庆邮电大学，重庆 400065）

摘 要通信技术的发展、生理传感技术的进步和日益增长的人体生理信息跟踪需求等催生了无线体域网（Wireless Body Area Network），WBAN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。作为传感器网络的一个分支，其日渐成为研究的重点。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(WBAN)的标准IEEE802.15.6于2012年颁布。主要针对多个体域网网间组网及其管理进行研究，同时对体域网间组网及管理的研究现状进行分析和总结。最后，分析了无线体域网组网及管理需要解决的问题和未来研究的方向。

关键词无线体域网；网间组网；网间管理

目前，无线体域网（Wireless Body Aree Network, WBAN）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（Node）和个人终端(Hub)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。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。由于各传感器节点或便携式设备放置在人体身上，人仍可以正常活动。因此，对于人体不断变化的姿态，体域网需要自适应的去调整。所以，WBAN的设计需要灵活应对网络拓扑结构频率性的改变。

无线体域网其自身的特点和要求，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，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。目前对于无线体域网的研究还处于初步阶段，距离迈向成熟还有一段路要走，它在面临一些自身技术挑战的同时还存在一些不能独立解决的问题和限制。

对于单个体域网而言，其网络架构可以是单跳的星型拓扑结构，亦可以是有中继的多条拓展星型网络；对于多个体域网共存环境而言，其组网方式可以是集中式，可以为分布式，亦可以是二者的混合方式，此项研究主要涉及多跳拓扑结构、集中式与分布式、集中分布混合方式等的特性分析、性能评估、适用条件（如WBAN的组网，研究其现实方式和网络管理）等。本文试图从无线体域网网间组网和管理两个方面，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，最后指出网间组网及其管理的新思路。

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（Wireless Personal Area Network ，WPAN）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，无线体域网的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[1]。这也标志着体域网的发展翻开了崭新的一页。

2　组网架构介绍

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、多跳的扩展星形，如图1所示。

典型的自组织网络结构模型主要有分布式、集中式或者混合式三种。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）集中统一实施各WBAN的资源管理与分配。各WBAN向CC提交相关信息，譬如：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，譬如，可引入合作博弈或非合作博弈理论指导频谱分配。

网络管理基于标准IEEE802.15.6的参考模型，如图3所示；WBAN的组网方式、实现和管理需要定义相应的管理和控制消息，管理和控制消息的格式基于标准IEEE802.15.6的MAC帧格式，如图4所示。

图1　WBAN的网络拓扑示例

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。WBAN网间干扰问题也日趋凸显，文献[2]针对IEEE802.15.4标准下的WBAN，由于当前标准缺少一种有效管理动态WBAN的机制，所以为了减少来自无线网络的干扰，文中提出了一种动态共存管理（DCM）方案，来提高WBAN信息传输的可靠性[2]。文献[3]探讨了WBAN网间干扰问题，基于博弈论，提出了一种分布式功率控制算法，以实现通过控制WBAN用户的功率来减少WBAN网络间的干扰，将多个WBAN用户的功率消耗进行博弈，找到最优纳什均衡。此外该算法通过调整能耗价格，来满足具有不同能耗约束条件和不同服务质量要求的WBAN的应用请求[3]。文献[4]中由于每个传感器节点进行的是不同的监测任务，所以WBAN的流量不同，这就为如何有效的对动态且种类不同的数据进行介质访问带来了困难。针对数据异质性，文中提出了一种动态延迟MAC算法，来解决WBAN中流量多样性问题，结果显示在能耗水平保持不变的条件下可以降低时延。但是该方案是在标准IEEE802.15.4下进行的[4]。文献[5]针对不同传感器有不同的带宽要求，异质流量的产生。文中在HBC平台下提出一种带有周期同步信息的统计MAC协议，基于TDMA，加入周期同步信息来实现异质信息的传输，以及低的数据传输时延。该协议是利用灵活的时间槽分配以及一个统计帧来实现确保能效的[5]。

体域网中有关网间组网和管理技术方面的研究比较少，大部分都是基于IEEE802.15.4标准。目前主要有文献[6]基于图着色理论提出了一种解决多个无线体域网间干扰的方案，将体域网间的干扰避免机制建模成一个图着色的问题。不完全随机着色方案，具有低时间复杂度和高空间复用度，能够有效克服WBAN之间的干扰，和传统的完全着色方案相比，不完全随机着色方案没有着色速率与空间复用之间的矛盾，所以它可以在任何空间复用要求下进行快速认知[6]。文献[7]提出了一种用于共存体域网环境下信道和时间的自适应分配方案。WBAN网间的信道资源是随机分配，而网内资源分配则是根据时隙长短来判定。但是该方案的WBAN网间资源分配是在同一信道上进行的，网间节点的资源分配是在所分得的时隙上再次分配的。虽然考虑到各个WBAN用户间的相互干扰问题，但是该方案仅是一种特例，不具有代表性[7]。文献[8]联合考虑WBAN中的资源分配，协调器部署位置，传感器节点不同的QoS要求，传感器节点之间的信道特性及人体姿势。把联合资源分配和协调器部署问题看成是能耗最小化问题。通过解决该最优化问题，针对不同QoS要求的传感器，提出了一个最优联合功率分配和协调器部署算法[8]。

图2　WBAN组网示例

图3　参考模型

4　存在的问题及进一步的工作

无线体域网为了能长时间不间断地采集身体重要的生理信息信号如温度血糖血压和心电信号,人体活动或动作信息以及人体所在环境信息要求可穿戴或可植入传感器节点的体积小、质量轻、能耗低,其次无线体域网中的节点通常靠电池供电。节点体积要求更高节点携带的电池容量非常有限，而植入到人体内的节点更换电池更是不现实。传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块处理器模块和无线通信模块，研究表明传感器节点绝大部分能量都消耗在无线通信模块上。因此，怎样合理对无线体域网进行组网及管理是提高能量有效性的有效途径之一。

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，接入模式与媒体访问控制等方面，其中组网方式和统一管理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组网和管理方面目前主要存在以下四个方面亟需解决。

图4　参考模型

（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。包括集中式、分布式、集中分布混合方式等的特性分析、性能评估、使用条件，如多个WBAN规模、物理场景、人体需求等。

（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）分析集中式WBAN自组织网络的特点，如何管理不同的WBAN用户的加入与退出，使其能够满足集中式网络架构下WBAN减少干扰、节省能量、提高QoS等要求。

（4）分析分布式WBAN自组织网络的特点，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。

5　结论

无线体域网间组网和管理方案是实现有限频谱资源有效利用的根本保障，研究体域网在能量和资源受限的情况下，如何合理的组网及其管理使得效用最大化成为热点。本文主要是从体域网网间组网和管理两个方面，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。

参考文献

[1]美国电气电子工程师学会(US-IEEE). IEEE 802.15.6-2012, IEEE Standard for Local and metropolitan area networks .Part 15.6: Wireless Body Area Networks[S].

[2]Deylami, Mohammad, Emil Jovanov. A Distributed Scheme for Managing the Dynamic Coexistence of IEEE 802.15. 4-Based Health Monitoring WBANs[J]. IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 2014, 18(1).

[3]Fang Gengfa, E Dutkiewicz, Yu Kegen, et al. Distributed Inter-Network Interference Coordination for Wireless BodyArea Networks[C]. IEEE Global Telecommunications Conference (GLOBECOM),2010.

[4]Mouzehkesh, Nesa, et al. D2MAC: Dynamic delayed Medium Access Control (MAC)protocol with fuzzy technique for Wireless Body Area Networks[C]. Body Sensor Networks (BSN), 2013 IEEE International Conference on. IEEE, 2013.

[5]Chen, Hong, et al. A statistical MAC protocol for heterogeneoustraffic human body communication[C]. Circuits and Systems (ISCAS), 2013 IEEE International Symposium on. IEEE, 2013.

[6]Cheng Shih Heng, Ching Yao Huang. Coloring-Based Inter-WBAN Scheduling for Mobile Wireless Body Area Networks[J]. Parallel and Distributed Systems, IEEE Transactions on, 2013,24(2): 250-259.

[7]Thepvilojanapong N, Motegi S, Idoue A, et al. Adaptive channel and time allocation for body area networks[J]. Communications. 2011. 5(12):1637-1649.

[8]Su, Cui, Panpan Wang, and Rong Chai. Joint power allocation and coordinator deployment for Wireless Body Area Network[C]. Wireless Communications & Signal Processing (WCSP), 2013 International Conference on. IEEE, 2013.

Survey of networking and management in WBAN

ZHANG Zheng

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

AbstractThe wireless body area network is required by meas of the development of communication technology, the advancement of physiological sensing technology and the increasing human physiological information. WBAN aims to provide real-time and ubiquitous body monitoring to perform au-tonomous early prediction, diagnostic, and tracking the response of the body to treatments,becoming a hot spot 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 specifi cally designed for WBAN. This article focuses on the networking and management in WBAN, analyzing the research status and the insuffi cient of networking and management. Finally, several key issues of networking and management in WBAN are discussed and future directions are pointed out.

KeywordsWBAN; networking of inter-WBAN; management of inter-WBAN

* 基金项目：国家自然科学基金项目(No.60972068),重庆市自然科学基金项目（CSTC，2011BB2144），重庆教委科学技术研究项目（No.KJ090502和KJ100517），重庆大学研究生创新项目（200904B1A0010306），重庆邮电大学青年教学基金项目（A2008-28）。

收稿日期：2014-10-17

文章编号1008-5599（2015）01-0082-05

文献标识码A

中图分类号TN915