陳文

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)界和標準化組織的廣泛關(guān)注。另外，IEEE 802.15.6 協(xié)議標準是目前國際上公認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)議標準。講座將分3期對該技術(shù)進行介紹：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)用場景問題。

4 無線體域網(wǎng)的頻帶選擇

根據(jù)目前的研究分析，無線個人通信系統(tǒng)可以操作于一些無需牌照的頻譜上，并得到全球普遍的認可。人體域網(wǎng)絡(luò)的重要頻帶包括可植入通信系統(tǒng)（MICS）頻帶、無線醫(yī)療遙測服務(wù)（WMTS）頻帶、工業(yè)-科學(xué)-醫(yī)療（ISM）頻帶以及超寬帶（UWB）頻帶。由圖2可知道，目前各個國家地區(qū)選用的適用于無線體域網(wǎng)（WBAN）的頻帶[6]。

（1）MICS

MICS可以提供超低功率、無需牌照的移動無線服務(wù)，這樣醫(yī)療護理提供者就能在一個植入設(shè)備與一個基站之間建立高速、短程無線連接，支持結(jié)合植入醫(yī)療設(shè)備的診斷和治療功能。MICS頻段為402～405 MHz。MICS頻帶已經(jīng)被大部分國家和地區(qū)廣泛接受。

（2）WMTS

WMTS一般用于通過無線電技術(shù)來遠程監(jiān)控病人的健康。WMTS的使用給予了病人很大的移動性，減少了醫(yī)療監(jiān)護的費用。目前，WMTS主要是在美國、日本、澳大利亞等國家和地區(qū)中使用，主要頻帶分散在420～429 MHz、440～449 MHz、608～614 MHz、1 395～1 400 MHz、1 427～1 429.5 MHz等。這些頻帶非常適合WBAN，首先，它屬于低頻帶，可提供大量通信帶寬，如在608～614 MHz中允許有4個1.5 MHz帶寬的信道；其次，WMTS帶寬只用于醫(yī)療通信，這樣就比ISM頻帶的干擾要少很多。

（3）UWB

UWB是一種短距離的無線通信方式，其傳輸距離通常在10 m以內(nèi)，并使用1 GHz以上帶寬，通信速度可以達到每秒幾百兆比特以上。UWB不采用載波，而是利用納秒至微微秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。因此，UWB所占的頻譜范圍很寬，適用于高速、近距離的無線個人通信。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)定，UWB的工作頻段范圍從3.1～10.6 GHz，最小工作頻寬為500 MHz。

（4）ISM

ISM頻帶是國際電信聯(lián)盟無線電通信組（ITU.R）定義的無線電規(guī)范，ISM的分配無需牌照，因而可以為WBAN所方便使用。ITU-R為ISM定義的頻帶范圍很大：

·6.765～6.795 MHz（中心頻率6.780 MHz）

·13.553～13.567 MHz（中心頻率13.560 MHz）

·26.957～27.283 MHz（中心頻率27.120 MHz）

·40.66～40.70 MHz（中心頻率40.68 MHz）

·433.05～34.79 MHz（中心頻率433.92 MHz）

·902～928 MHz（中心頻率915 MHz）

·2.400～2.500 GHz（中心頻率2.450 GHz）

·5.725～5.875 GHz（中心頻率5.800 GHz）

·24～24.25 GHz（中心頻率24.125 GHz）

·61～61.5 GHz（中心頻率61.25 GHz）

·122～123 GHz（中心頻率122.5 GHz）

·244～246 GHz（中心頻率245 GHz）

從上面分析我們可以看到，很多現(xiàn)存標準都使用了ISM頻帶，如IEEE標準中的802.1lb/g（WLAN）、802.15.1（Bluetooth）、802.15.4（ZigBee）等都使用了2.4～2.4835 GHz頻帶，這就帶來了在這些頻帶上的共存性問題。考慮到人體對電磁波的吸收，我們對于體內(nèi)的通信擬采用低頻段，對于體外的通信則擬采用高頻段；發(fā)信息采用高頻段，而接受控制命令，由于體域網(wǎng)通信較少的數(shù)據(jù)量，我們則采用低頻、低速率傳輸。中心頻率隨著周圍電磁環(huán)境不斷變化，而實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整。

5 無線體域網(wǎng)的信道模型

WBAN通信所依賴的人體無線信道特性，包括體外、體表以及體內(nèi)無線信道特性，主要由確定論和隨機論兩類特性因素決定。前者是指人體生物組織局域環(huán)境中媒質(zhì)的電磁特性因素是確定的，而后者是指人體姿態(tài)、動作等特性因素是隨機的。同時，由于現(xiàn)有蜂窩移動通信系統(tǒng)的空間信道特性（SCM），主要由其環(huán)境中的電磁媒質(zhì)特性因素決定，該特性因素幾乎全是隨機的，因此人體信道特性與SCM特性完全不同，二者的建模技術(shù)具有本質(zhì)區(qū)別。可見，WBAN必須具有自己的HBCM，才能得以發(fā)展。因此，作為支撐WBAN系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)基礎(chǔ)的人體信道特性建模技術(shù)，是WBAN技術(shù)必須研究的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)之一。同目前已有的HBCM建模技術(shù)不同，未來急需進一步發(fā)展的人體信道模型（HBCM），其建模技術(shù)將面臨更加苛刻的“高效率、高精度、高通用性”性能和“多頻段、多連通”功能的指標約束。該“3高2多”指標約束，已經(jīng)成為IEEE 802.15.6標準化HBCM必須滿足的要求。如果上述要求沒有得到較好滿足，將會對IEEE WBAN系統(tǒng)的生物安全性、適用性以及低能耗和高效率通信帶來巨大的負面影響。為此，需要針對IEEE目前人體信道場景和人體無線通信頻段所存在的空白點，開展能滿足“3高2多”指標約束的HBCM研究工作。其中，HBCM的場景精細化和多頻段化是核心問題，該問題最終可以歸結(jié)為精細化、多頻段WBAN信道特性建模、評估和驗證問題。文章中主要解決2個方面的關(guān)鍵問題：

（1）精細化、多頻段HBCM新型特性建模和評估問題。

（2）上述特性的驗證方法問題。

WBAN無線系統(tǒng)性能設(shè)計與開發(fā)能嚴重依賴精細化、多頻段HBCM特性，因此，上述2個問題需要同時解決。其中，問題（1）的關(guān)鍵是：如何在“3高2多”特定約束條件下對HBCM特性進行創(chuàng)新開發(fā)，并進行建模和性能評估，得到發(fā)展和深化IEEE 802.15.6規(guī)范指標的HBCM。問題（2）的關(guān)鍵是：如何在上述特定約束條件下得到精細化、多頻段HBCM新特性的驗證方法。近年來，隨著計算電磁學(xué)、三維實體電磁建模技術(shù)、電磁仿真手段以及仿真驗證方法的不斷發(fā)展和完善，解決上述問題的技術(shù)條件已經(jīng)基本成熟，表現(xiàn)為：結(jié)合電磁場計算、仿真以及天線、饋電網(wǎng)絡(luò)新的設(shè)計理論，HBCM電磁特性研究面臨的多尺度電磁計算、多維參量優(yōu)化設(shè)計問題可以得到有效緩解。

6 無線體域網(wǎng)的通信技術(shù)

在醫(yī)療領(lǐng)域采用無線技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是降低能量消耗。醫(yī)療保健中所用的傳感器大小是受限的，不能嵌入大容量電池。另外，這些傳感器更傾向于無需更換它們的電池。理想情況下，它們甚至可以從環(huán)境中攝取能源：通過全身運動，從身體之間的溫差和環(huán)境中獲取能量。然而，現(xiàn)有技術(shù)的低功率傳感器通常被認為是連接到“主要動力”的樞紐站。以Zigbee 的情況為例：中心一直處于聽的狀態(tài)，傳感器可以在任何時間傳送數(shù)據(jù)，或者當有新數(shù)據(jù)的時候通知中心。然而，這樣的供電站是不現(xiàn)實的，也不是總存在的。對于所有這些技術(shù)，無線電設(shè)備的組件總是消耗更多的能量。有趣的是，接收消耗的能量通常和轉(zhuǎn)輸消耗的能量一樣多，所有這些技術(shù)都將受益于減少無線設(shè)備平均工作時間的算法。此外，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用的技術(shù)大多是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。如果我們設(shè)法減少在網(wǎng)絡(luò)層面上的功耗，而不是只在一個“終端設(shè)備”節(jié)點降低能耗水平，那么協(xié)作算法是實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵。在同時考慮到功耗和可靠性后，這種算法將允許選擇（或合并）到達節(jié)點的最佳路徑[7]。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，信息從傳感器節(jié)點傳到信宿節(jié)點有很多路徑。根據(jù)每個節(jié)點的限制功率，我們可以設(shè)計一種功率/能量高效的傳輸方式。同時，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中進行最優(yōu)功率分配，是在有限功率下達到最大速率的一種有效的辦法。在多跳中繼信道中有許多的中繼選擇方法，例如“調(diào)和平均方法”、“最佳最差信道方法”以及“基于信噪比（SNR）的選擇方法”。考慮到功率限制，人們需基于網(wǎng)絡(luò)功率（能量）限制，設(shè)計一種有效的多跳中繼選擇方法，并將在有限功率控制下，進行節(jié)點間的最優(yōu)功率分配，以達到最大速率。同時多跳中繼選擇方法還與網(wǎng)絡(luò)編碼設(shè)計結(jié)合，因為每個節(jié)點的功率與其網(wǎng)絡(luò)編碼系數(shù)選擇有關(guān)。

雖然近年來業(yè)界對于基于WBAN 的協(xié)同通信已經(jīng)廣泛研究了，但是我們還需考慮更高功效的移動設(shè)備輔助的協(xié)同結(jié)構(gòu)，而不是一般的傳感器之間的合作。由于綠色認知技術(shù)已經(jīng)包含在移動設(shè)備中了，這增加了靈活性并且可極大的改善一個WBAN 的性能。綠色協(xié)同傳輸過程可概括為3個階段[8]：

（1）Intra—BAN。移動設(shè)備和醫(yī)療儀器都作為接收端，它們分別致力于從信源到信宿鏈路中的分離和收集多徑脈沖。

（2） Inter—BAN。在移動設(shè)備端將采用解碼轉(zhuǎn)發(fā)（DF）方案，接入點將采用最大比合并（MRC）或者一種中繼選擇技術(shù)來將多徑信號和認知測試信號合并。

（3）Beyond—BAN。在WAN 電信技術(shù)（比如GPRS、3G、LTE或xDSL 等）的支持下，信息能夠轉(zhuǎn)發(fā)到可能隔得很遠的中央控制器中，然后醫(yī)療儀器解碼信號提供多樣化的應(yīng)用。

7 無線體域網(wǎng)的MAC層協(xié)議

雖然目前WBAN的MAC層協(xié)議還沒有具體的標準形成，但是標準化工作小組在最新發(fā)布的IEEE 802.15.6 技術(shù)需求文檔中，指出新標準將會定義WBAN的物理層和MAC層，并應(yīng)用于醫(yī)療和非醫(yī)療領(lǐng)域。該技術(shù)文檔還指出對WBAN 的研究還包含以下幾個方面[9]：

·服務(wù)質(zhì)量（QoS）。包括合適的檢錯、糾錯方法，以保證一定的端到端時延，靈活地適應(yīng)各種應(yīng)用需要。

·能量消耗。指節(jié)點以極低的功率工作，以保證長使用壽命。

·網(wǎng)絡(luò)拓撲。網(wǎng)絡(luò)可以支持多跳的通信環(huán)境，如樹型、mesh 結(jié)構(gòu)，另外網(wǎng)絡(luò)初始化過程應(yīng)簡單，可以動態(tài)地支持節(jié)點的加入及退出。

·數(shù)據(jù)傳輸速率。點對點通信時，數(shù)據(jù)傳輸速率支持最低1 kbit/s的醫(yī)療應(yīng)用，10 kbit/s的非醫(yī)療應(yīng)用，并支持最高10 Mbit/s的非醫(yī)療應(yīng)用；數(shù)據(jù)收集點需要支持最高1 Mbit/s的醫(yī)療應(yīng)用和10 Mbit/s的非醫(yī)療應(yīng)用。

·其他。包括復(fù)雜度、移動性、射頻電磁波吸收率、安全性、擴展性等特性的研究。

由于無線環(huán)境的特殊性，開發(fā)WBAN有效的路山協(xié)議并不是簡單的事情。首先，帶寬受到限制并被共享，同時還受衰弱、噪聲和干擾的影響，會產(chǎn)生變化。其次，形成網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點在可用能量和計算功率上可能都不一樣。雖然目前在傳感器網(wǎng)絡(luò)上已開始很多研究，但這些協(xié)議不能用于人體內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，因為這些協(xié)議主要設(shè)計并用于大型網(wǎng)絡(luò)，而WBAN只涉及到較少數(shù)量的傳感器設(shè)備。此外，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器和接收器之問進行的是單躋通信，WBAN 則需要更高的可靠性。在日前的實現(xiàn)中，這些網(wǎng)絡(luò)采取了星型拓撲結(jié)構(gòu)，傳感器直接與個人設(shè)備互連，它們之間只有一條路由，因此這些采用了直接通信的協(xié)議并不需要考慮路由方面的問題。目前，專門設(shè)計開發(fā)一種WBAN的新網(wǎng)絡(luò)協(xié)議并不是主要的難題，但考慮到人體周圍網(wǎng)絡(luò)的特殊性要求，建立一種能夠保證可靠性、時延等要求，同時又可以降低能量消耗并最大程度符合WBAN 具體技術(shù)要求的協(xié)議的難度就增加了不少。

WBAN模塊化架構(gòu)使用了模塊化的設(shè)計來替代一般的層的方法，也就是說所有需要的功能都作為軟件模塊來實現(xiàn)。模塊的使用考慮了一種更靈活的解決方案，只要改變相應(yīng)的模塊，一些功能可以簡單地改變、增加或者去除。由于這些模塊都在同一層來實現(xiàn)，它們可以實現(xiàn)比一般跨層方法更簡便的使用和修改。用模塊化的方法開發(fā)協(xié)議是一種設(shè)計網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的新方法。在層設(shè)計中，駐留在不同層的協(xié)議之間的接口都被明確定義，如TCP/IP協(xié)議棧，在模塊化架構(gòu)中已不再是一個問題。這種模塊化的方法確保模塊有合理的順序，模塊間交換的參數(shù)通過標準化后傳遞。不同模塊之間的交互由控制器模塊來處理，控制器模塊有責(zé)任在恰當?shù)臅r間執(zhí)行合適的功能。根據(jù)一些WBAN針對MAC層的關(guān)鍵技術(shù)要求，我們可以將這些技術(shù)要求模塊化到這個架構(gòu)中來處理。

8 無線體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)融合

技術(shù)

無論是在WSN中還是在WBSN中，降低能量消耗都是一個重要的研究方向。為了降低能量消耗，我們一般從2個方面入手：傳輸路徑和傳輸內(nèi)容。傳輸路徑和傳輸內(nèi)容所對應(yīng)的技術(shù)分別為路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在該講座中，我們主要研究的是數(shù)據(jù)融合技術(shù)[10]。所謂數(shù)據(jù)融合，就是將多份數(shù)據(jù)或信息進行多級別、多方面、多層次的處理，即組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)融合的目的不僅是為了提高傳感器節(jié)點處理數(shù)據(jù)過程中的反應(yīng)速度，而且還需要通過數(shù)據(jù)之間的協(xié)同操作來減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，進而提高節(jié)點（特別是植入式的節(jié)點）以及整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。例如，在WBAN中鑒于單個節(jié)點的監(jiān)測范圍以及可靠性有限，在部署網(wǎng)絡(luò)的時候往往利用多節(jié)點進行采集。另外，有時為了提高準確度，采集范圍往往存在一定的交疊。由于節(jié)點是連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的，且數(shù)據(jù)之間具有一定的相關(guān)性，即存在冗余信息，因此可通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以去掉冗余信息，降低單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量從而降低能耗。同時，還需確保單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是有效的，這樣才能真正有利于網(wǎng)絡(luò)的整體能量節(jié)約。

文章主要探討兩個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。一是通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)來減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，二是通過采集數(shù)據(jù)與其他信息的融合來提高數(shù)據(jù)的準確度或者是識別的精確度。對于信號處理一般有兩種模型：集中式和分布式。在集中式模型中每一個節(jié)點將數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器負責(zé)數(shù)據(jù)處理并輸出，這種方法雖然減少了計算量但卻增大了消耗能量。協(xié)作式模型是在節(jié)點上進行數(shù)據(jù)處理，一個節(jié)點收到其他節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后進行局部處理，使數(shù)據(jù)減少。這種方法雖然對節(jié)點的復(fù)雜度要求較高，但在能耗處理方面是比較令人滿意的，因為傳輸處理過的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)消耗的能量少。與集中式數(shù)據(jù)融合相比，分布式融合具有并行處理的優(yōu)點且具有更好的容錯性。我們提出了一種能量最優(yōu)化技術(shù)，通過處理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)使通信能量消耗降到最低。其核心思想是在數(shù)據(jù)傳輸之前進行緩存，然后與其他數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)進行融合后再發(fā)送，形成一個大的數(shù)據(jù)包。因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大，每比特消耗的能量越少。另外，通過設(shè)計傳感器節(jié)點上的輕量級數(shù)據(jù)融合算法使得待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量變?yōu)樽钚?，從而從根本上降低整個系統(tǒng)的能耗。在WBAN中，雖然臨近的節(jié)點傳感器相互之間無線資源競爭激烈，但是傳送的數(shù)據(jù)往往存在一定的冗余，時間和空間上存在很強的相關(guān)性。我們可以利用不同節(jié)點之間測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，以及節(jié)點之間的相互竊聽來減少數(shù)據(jù)的傳輸量。例如在室內(nèi)環(huán)境下，根據(jù)安裝在人體大腿上的慣性傳感器來提供動作數(shù)據(jù)，同時根據(jù)光學(xué)運動傳感器獲取人體的位置信息，再通過動作數(shù)據(jù)與位置信息的融合來識別人體活動，提高根據(jù)單一傳感器獲得的數(shù)據(jù)準確度。 （待續(xù)）

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8 無線體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)融合

技術(shù)

無論是在WSN中還是在WBSN中，降低能量消耗都是一個重要的研究方向。為了降低能量消耗，我們一般從2個方面入手：傳輸路徑和傳輸內(nèi)容。傳輸路徑和傳輸內(nèi)容所對應(yīng)的技術(shù)分別為路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在該講座中，我們主要研究的是數(shù)據(jù)融合技術(shù)[10]。所謂數(shù)據(jù)融合，就是將多份數(shù)據(jù)或信息進行多級別、多方面、多層次的處理，即組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)融合的目的不僅是為了提高傳感器節(jié)點處理數(shù)據(jù)過程中的反應(yīng)速度，而且還需要通過數(shù)據(jù)之間的協(xié)同操作來減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，進而提高節(jié)點（特別是植入式的節(jié)點）以及整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。例如，在WBAN中鑒于單個節(jié)點的監(jiān)測范圍以及可靠性有限，在部署網(wǎng)絡(luò)的時候往往利用多節(jié)點進行采集。另外，有時為了提高準確度，采集范圍往往存在一定的交疊。由于節(jié)點是連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的，且數(shù)據(jù)之間具有一定的相關(guān)性，即存在冗余信息，因此可通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以去掉冗余信息，降低單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量從而降低能耗。同時，還需確保單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是有效的，這樣才能真正有利于網(wǎng)絡(luò)的整體能量節(jié)約。

文章主要探討兩個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。一是通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)來減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，二是通過采集數(shù)據(jù)與其他信息的融合來提高數(shù)據(jù)的準確度或者是識別的精確度。對于信號處理一般有兩種模型：集中式和分布式。在集中式模型中每一個節(jié)點將數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器負責(zé)數(shù)據(jù)處理并輸出，這種方法雖然減少了計算量但卻增大了消耗能量。協(xié)作式模型是在節(jié)點上進行數(shù)據(jù)處理，一個節(jié)點收到其他節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后進行局部處理，使數(shù)據(jù)減少。這種方法雖然對節(jié)點的復(fù)雜度要求較高，但在能耗處理方面是比較令人滿意的，因為傳輸處理過的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)消耗的能量少。與集中式數(shù)據(jù)融合相比，分布式融合具有并行處理的優(yōu)點且具有更好的容錯性。我們提出了一種能量最優(yōu)化技術(shù)，通過處理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)使通信能量消耗降到最低。其核心思想是在數(shù)據(jù)傳輸之前進行緩存，然后與其他數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)進行融合后再發(fā)送，形成一個大的數(shù)據(jù)包。因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大，每比特消耗的能量越少。另外，通過設(shè)計傳感器節(jié)點上的輕量級數(shù)據(jù)融合算法使得待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量變?yōu)樽钚?，從而從根本上降低整個系統(tǒng)的能耗。在WBAN中，雖然臨近的節(jié)點傳感器相互之間無線資源競爭激烈，但是傳送的數(shù)據(jù)往往存在一定的冗余，時間和空間上存在很強的相關(guān)性。我們可以利用不同節(jié)點之間測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，以及節(jié)點之間的相互竊聽來減少數(shù)據(jù)的傳輸量。例如在室內(nèi)環(huán)境下，根據(jù)安裝在人體大腿上的慣性傳感器來提供動作數(shù)據(jù)，同時根據(jù)光學(xué)運動傳感器獲取人體的位置信息，再通過動作數(shù)據(jù)與位置信息的融合來識別人體活動，提高根據(jù)單一傳感器獲得的數(shù)據(jù)準確度。 （待續(xù)）

參考文獻

[6] ASTRIN A W， LI H -B， KOHNO R. Standardization for body area networks [J]. IEICE Transactions on Communications， 2009， E92.B （2）：366-372.

[7] 陸凱.無線體域網(wǎng)（WBAN）通信關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京： 南京郵電大學(xué)，2009.

[8] KHASNABISH B. Smart body sensor object networking [J].ZTE Communications， 2014， 20（3）：12-16. doi： 10.3939/j.issn.1673-5188.2014.03.005.

[9] YAZDANDOOST K Y， SAYRAFIAN-POUR K. Channel Model for Body Area Network （BAN） [Z]. IEEE 802.15 Working Group Document， IEEE 802.15-08-0033-05， 2008.

[10] FOULADI S H， SANTIAGO R C， FLOOR P A， et al. A survey on sensing， signal processing and communication for wireless body area networks [J]. ZTE Communications， 2014， 20（3）：18-22. doi： 10.3939/j.issn.1673-5188.2014.03.001.

8 無線體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)融合

技術(shù)

無論是在WSN中還是在WBSN中，降低能量消耗都是一個重要的研究方向。為了降低能量消耗，我們一般從2個方面入手：傳輸路徑和傳輸內(nèi)容。傳輸路徑和傳輸內(nèi)容所對應(yīng)的技術(shù)分別為路由協(xié)議和數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在該講座中，我們主要研究的是數(shù)據(jù)融合技術(shù)[10]。所謂數(shù)據(jù)融合，就是將多份數(shù)據(jù)或信息進行多級別、多方面、多層次的處理，即組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。數(shù)據(jù)融合的目的不僅是為了提高傳感器節(jié)點處理數(shù)據(jù)過程中的反應(yīng)速度，而且還需要通過數(shù)據(jù)之間的協(xié)同操作來減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，進而提高節(jié)點（特別是植入式的節(jié)點）以及整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。例如，在WBAN中鑒于單個節(jié)點的監(jiān)測范圍以及可靠性有限，在部署網(wǎng)絡(luò)的時候往往利用多節(jié)點進行采集。另外，有時為了提高準確度，采集范圍往往存在一定的交疊。由于節(jié)點是連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的，且數(shù)據(jù)之間具有一定的相關(guān)性，即存在冗余信息，因此可通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以去掉冗余信息，降低單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量從而降低能耗。同時，還需確保單位時間內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都是有效的，這樣才能真正有利于網(wǎng)絡(luò)的整體能量節(jié)約。

文章主要探討兩個方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。一是通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)來減少傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，二是通過采集數(shù)據(jù)與其他信息的融合來提高數(shù)據(jù)的準確度或者是識別的精確度。對于信號處理一般有兩種模型：集中式和分布式。在集中式模型中每一個節(jié)點將數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器負責(zé)數(shù)據(jù)處理并輸出，這種方法雖然減少了計算量但卻增大了消耗能量。協(xié)作式模型是在節(jié)點上進行數(shù)據(jù)處理，一個節(jié)點收到其他節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，然后進行局部處理，使數(shù)據(jù)減少。這種方法雖然對節(jié)點的復(fù)雜度要求較高，但在能耗處理方面是比較令人滿意的，因為傳輸處理過的數(shù)據(jù)比原始數(shù)據(jù)消耗的能量少。與集中式數(shù)據(jù)融合相比，分布式融合具有并行處理的優(yōu)點且具有更好的容錯性。我們提出了一種能量最優(yōu)化技術(shù)，通過處理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)使通信能量消耗降到最低。其核心思想是在數(shù)據(jù)傳輸之前進行緩存，然后與其他數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)進行融合后再發(fā)送，形成一個大的數(shù)據(jù)包。因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包越大，每比特消耗的能量越少。另外，通過設(shè)計傳感器節(jié)點上的輕量級數(shù)據(jù)融合算法使得待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量變?yōu)樽钚?，從而從根本上降低整個系統(tǒng)的能耗。在WBAN中，雖然臨近的節(jié)點傳感器相互之間無線資源競爭激烈，但是傳送的數(shù)據(jù)往往存在一定的冗余，時間和空間上存在很強的相關(guān)性。我們可以利用不同節(jié)點之間測量數(shù)據(jù)的相關(guān)性，以及節(jié)點之間的相互竊聽來減少數(shù)據(jù)的傳輸量。例如在室內(nèi)環(huán)境下，根據(jù)安裝在人體大腿上的慣性傳感器來提供動作數(shù)據(jù)，同時根據(jù)光學(xué)運動傳感器獲取人體的位置信息，再通過動作數(shù)據(jù)與位置信息的融合來識別人體活動，提高根據(jù)單一傳感器獲得的數(shù)據(jù)準確度。 （待續(xù)）

參考文獻

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[10] FOULADI S H， SANTIAGO R C， FLOOR P A， et al. A survey on sensing， signal processing and communication for wireless body area networks [J]. ZTE Communications， 2014， 20（3）：18-22. doi： 10.3939/j.issn.1673-5188.2014.03.001.