体域网通信的关键技术探讨

钱兰美　吴芳

摘要：分析体域网的3层网络架构。针对体域网的通信协议IEEE802.15.4和IEEE802.15.6，分析通信中的时延、数据量、节点能耗和通信带宽等技术难点;进而，得出两类体域网通信优化的关键技术。

关键词：体域网;通信协议;通信优化

中图分类号：TP393        文献标识码：A

文章编号：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 网络结构

体域网融合了传感器技术、短距离无线通信技术、分布式信息处理技术[1]。通过置于人体及其周围的传感器节点感知各种生理和环境参数，以无线方式发送至基站或移动单元，再经由蜂窝网络将数据发送至应用层实施远程监控。体域网的3层通信架构如图1所示。

第一层为感知层。感知层的核心是具有采集数据或者监测功能的传感器节点，包括各类植入式传感器，可穿戴设备和环境传感器[2]。传感器节点由于自身存储空间、数据处理能力、通信能力和能量有限，通常只进行数据的感知、采集和转发，利用短距离无线通信技术与外部网络之间建立通信。

第二层为传输层。传输层是连接感知层和应用层的桥梁，包括基站（Basic Station， BS）、移动单元（Mobile Unit）和个人设备（Personal Device， PD），如手机、笔记本电脑等，负责临时存储和转发信息，通过网络将接收到的感知数据传送至应用层，必要时可对数据进行处理。

第三层为应用层。应用层基于特定应用，由各种远程服务器组成，如远程医疗中心、急救中心等。服务器一方面接收传输层传送过来的感知数据进行分析和处理，并及时向用户提供反馈，另一方面可通过网络访问感知层，获取所需的感知数据。

2网络通信

体域网的低功耗、低速率、实时性等特殊需要，要求综合考虑通信带宽、数据量、节点能耗和传输时延等多方面要求。对体域网的通信进行优化是提高其性能的关键。

2.1通信协议

体域网的中心节点必须采用标准化的通信結构与外界通信。而采用IEEE 802.15.6和IEEE 802.15.4标准可提高置于人体内，体表和体外传感器、执行器的通信速度，准确性和可靠性。

目前， IEEE 802.15.4具有三个工作频段： 2.4GHz、868M Hz、915MHz，它们的传输速度分别为250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，具有以下特点。

（1） 低功耗。睡眠唤醒时间短，只有15ms，在设备不工作时可采用休眠模式，同时接收和发送数据时发射功率仅为1mW，因此设备耗电非常低。节点采用Zigbee 短距离无线通信方式，节点可以维持在较长时间不用更换电池设备。

（2） 通信安全可靠[3]。发送数据过程中会对数据的完整性检查，对发送的数据进行AES-128加密。在发送过程中为数据预留了专用空隙，以避免数据冲突。在媒介控制层采用了消息反馈机制，当接收到或收到信息需要发送确认接收信息，保证信息交流的可靠性。在信息交互过程中出现问题，可以重新发送。

（3） 网络容量大。每个网络系统中可以包含255 个节点，在不同信道上可以布置上百个网络，可容纳60000多个传感节点设备。

体域网的最新标准为IEEE 802.15.6。在人体附近的小区域范围内，提供低功率，短距离的无线通信国际标准，支持从75.9 Kbps窄带到15.6 Mbps超宽带的大范围数据传输速率。IEEE 802.15.6标准定义了一种传输速率最高可达10Mbps、最长距离约3公尺的连接技术。不同于其他短距离、低功耗无线技术，新标准特别考量在人体表面或人体内的应用。其主要技术标准为：

（1） 每个体域网必须能够支持256个节点，节点应能够在很短时间内（不到3秒）被删除或添加到网络。所有设备能够以0.1 mW（-10 dBm）的功率发射，最大发射功率应小于1 mW（0 dBm）。

（2） 体域网应支持一定范围的抖动、延迟，并保证可靠性。在医疗应用中，延迟应小于125 ms，在非医疗应用中小于250 ms，而抖动应小于50 ms。

（3） 体域网应能够在异构环境中运行，不同标准的网络能够相互协作以接收信息。链路应支持10 Kb / s到10 Mb / s范围内的比特率[4]。

2.2技术难点

通信技术是体域网研究的关键技术，鉴于其协议的特殊要求，其主要技术难点如下。

（1）节点能耗。对于体域网中的节点，特别是植入人体内部的节点，其通信能力，可用内存和计算能力都是受限的。为尽量减少干扰，处理健康问题，每个节点都必须非常小（通常小于1cm3），因而具有极低的传输功率。此外，体域网中的可植入设置使电池的安装及供给相当困难。

（2）传输时延。由于体域网主要传输的是病人的生理数据，如脉搏心率，体温，摔倒检测数据等。若未能及时发现异常，病人很可能得不到及时救助甚至死亡。因此体域网需要连续实时检测体征信号，当检测到异常应及时反馈给终端，因此要求传输时延尽可能小。

（3）通信带宽。在通信带宽受限的条件下，要求传送数据占用的带宽越小越好，否则带宽资源易被消耗殆尽，造成网络阻塞，甚至瘫痪。为保证数据的可靠传输，带宽占用量越少越好。

（4）数据量。远程端为实时监护病人的生理状况，需要获取全面多方位的信息，因而需要获取大规模感知数据。只有保证大量足够的数据，远程端才能进行全面准确的分析，并将正确的信息反馈给用户。

由此可见，体域网的这些难题很难同时克服。传输时延与网络能效要求相冲突，而数据量与节点能耗，通信带宽的要求相冲突。因而解决这些冲突问题，实现冲突目标的均衡题是体域网通信的关键技术。

3两类网络通信的关键技术

3.1 心电监护网络通信的关键技术

心电监护网络是体域网在医疗健康领域的一类特殊应用，通过无线传感器实时采集人体的心电信号，并实时分析或者传送给医生进行在线分析和诊断，这克服了传统ECG检测方法记录时间短、记录数据少、不易发现偶发性问题、不能24小时实时监控等缺点，它具有记录时间长、记录数据全、灵活方便、实时性等优点。由于心电信号人体的重要生理参数，稍有延迟，就有延误病人的最佳治疗时机，甚至危及生命，因此，心电监护网络对传输时延要求高。同时，为减少节点能耗，延长网络生命周期，须适度降低数据传输速率，但这样会增加心电数据的传输时延。因而，传输时延与节点能效要求相冲突，研究心电监护网络的两目标冲突问题，达到时延与能效的均衡是心电监护网络通信优化的关键。

3.2 基于云环境的体域网通信关键技术

基于云环境的体域网为全面检测病人的生理健康状况，通过布设多类传感器（温度、血压、血氧饱和度、运动传感器等）采集人体的各类生理感知数据。在通信带宽占用量受限，传感器节点能量有限的条件下，云端需获取大规模感知数据。但是，获取大规模数据时，通信带宽和传感器节点能耗将相应增加，因此通信帶宽，节点能耗和数据量三者之间与现实要求相冲突。因此设计合适的算法解决上述三目标的冲突问题是该网络通信优化的关键技术。

4 小结

简要介绍体域网的3层网络架构，分析各层的组成、功能，针对体域网的通信协议IEEE802.15.4和IEEE802.15.6，分析通信中的时延、数据量、节点能耗和通信带宽等技术难点;进而，得出两类体域网通信优化的关键技术。

参考文献：

[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] 马聪聪，李文锋.基于体域网和云服务的智能穿戴系统研究与实现[J].小型微型计算机系统，2016，37（4）：778-781.

[4] 居征宇，喻剑.面向无线体域网的低功耗多频道MAC协议[J].小型微型计算机系统，2016，37（1）：78-82.

【通联编辑：唐一东】