龔鏝霖++張徹++周新麗++張越

摘 要：人們對無線網(wǎng)絡(luò)日益頻繁的使用以及電子設(shè)備微型化的趨勢極大地促進(jìn)了無線人體局域網(wǎng)的發(fā)展。文章通過綜述現(xiàn)有的人體局域網(wǎng)BAN資料，從宏觀上介紹了人體局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)了人體局域網(wǎng)的現(xiàn)狀，并且對人體局域網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用、現(xiàn)存的不足以及未來的發(fā)展作了簡要介紹。

關(guān)鍵詞：人體局域網(wǎng)BAN；無線技術(shù)；傳感器；通信

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）11-00-03

0 引 言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，人口老齡化正成為一個越來越嚴(yán)重的問題。他們指出，世界老齡人口數(shù)目將會在2025年翻倍，也就是說，到2025年，老年人口比例將達(dá)到22%。與此同時，生活習(xí)慣也使得成千上萬的人每天受到肥胖和慢性病的折磨。正因如此，發(fā)達(dá)國家面臨越來越高的醫(yī)保成本[1]。這種境況若持續(xù)下去，現(xiàn)已過度負(fù)荷的醫(yī)保所能帶給我們的服務(wù)質(zhì)量必將呈現(xiàn)下滑的趨勢，而引入對現(xiàn)行醫(yī)療保障體系能有驅(qū)動型提高的新興技術(shù)，也就是人體局域網(wǎng)（BAN）成為了必然。

1 區(qū)分BAN與WSNs

人體局域網(wǎng)（BAN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是對重量輕、體積小、超低功耗以及可以實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的可穿戴傳感器的進(jìn)一步改造和實(shí)現(xiàn)。在人體局域網(wǎng)中，傳感器持續(xù)不斷地監(jiān)控人體的生理活動和動作，例如健康狀況和情感模式。人體局域網(wǎng)需要相應(yīng)的協(xié)議和算法來達(dá)到這些功能。然而，盡管已有許多算法和協(xié)議為傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）[2]而設(shè)計，但它們對于人體局域網(wǎng)特殊的功能和應(yīng)用需求并不合適。由此我們給出人體局域網(wǎng)（BAN）和WSN的區(qū)別，具體見表1所列。

表1 BAN與WSN的比較

BAN WSN

部署節(jié)點(diǎn) 允許冗余節(jié)點(diǎn)，

節(jié)點(diǎn)可觸碰性 防止冗余節(jié)點(diǎn)，

節(jié)點(diǎn)不可觸碰

目的 記錄人體規(guī)律性生理活動 監(jiān)視事件防患于未然

電池 電池可替換性 電池位置不可達(dá)，

替換難度大

結(jié)點(diǎn)位置 跟隨人體移動性 相對穩(wěn)定性

波的接受 人體為損耗介質(zhì) 對介質(zhì)有選擇性

其他 嚴(yán)格保密，高可靠性，

少延遲 相應(yīng)要求，較為靈活

2 BAN通信體系結(jié)構(gòu)

與其他現(xiàn)存技術(shù)相較，如WLAN，BAN通過復(fù)雜而普遍的無線計算設(shè)備使在人體內(nèi)部或周圍的無線通信成為可能。

圖1所示為BAN通信體系的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 BAN通信體系結(jié)構(gòu)

圖1給出了基于BAN的健康監(jiān)視系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)。ECG（心電圖）、EEG（腦電圖）、EMG（肌電圖）、動作傳感器和血壓傳感器把數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近的個人服務(wù)設(shè)備上，然后，通過藍(lán)牙/無線局域網(wǎng)的連接將這些數(shù)據(jù)流送到遙遠(yuǎn)的醫(yī)生家中進(jìn)行實(shí)時診斷，或者送到一個醫(yī)療數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄保存，再或者送到一個出現(xiàn)了緊急狀況的相關(guān)設(shè)備上。通常，我們把BAN的通信體系結(jié)構(gòu)分成：通信一層（BAN內(nèi)部通信）、通信二層（BAN相互通信）、通信三層（BAN外部通信）三個部分。這些部分囊括了從低級設(shè)計到高級設(shè)計的大多數(shù)方面并且促成了基于組件且能應(yīng)用于多方面的高效BAN系統(tǒng)。通過定制設(shè)計不同部分的成本、覆蓋范圍、效率、帶寬和服務(wù)質(zhì)量，根據(jù)特殊應(yīng)用的上下文環(huán)境和市場需求所提出的特殊要求是可以被滿足的。圖2所示是與APs相連的具體方式。

2.1 BAN內(nèi)部通信

BAN內(nèi)部通信指的是在人體周圍2米的范圍內(nèi)進(jìn)行無線電通信，這一部分可以被進(jìn)一步劃分為：（1）人體和傳感器之間的通信；（2）人體傳感器和便攜式個人服務(wù)設(shè)備之間的通信。由于和人體傳感器以及BANs會建立直接的關(guān)系，BAN的內(nèi)部通信顯得至關(guān)重要。進(jìn)一步說，現(xiàn)存人體傳感器所固有的電池供電和低比特率的特性使得設(shè)計一個帶有服務(wù)質(zhì)量條款的有效的媒體訪問控制協(xié)議成為一個挑戰(zhàn)性的問題。

圖2 與接APs相連的方式[3]

為了避免互聯(lián)的無線傳感器和個人服務(wù)設(shè)備所帶來的挑戰(zhàn)，現(xiàn)存的一些架構(gòu)比如MITHril[4]和SMART[5]利用電纜直接將多數(shù)在市場上可買到的傳感器和個人服務(wù)設(shè)備進(jìn)行直接連接，如圖2（a）所示。

而另一方面，CodeBlue規(guī)定傳感器不通過個人服務(wù)設(shè)備而直接與接入點(diǎn)相連，如圖2（b）所示。與之前兩種途徑相比，圖2（c）呈現(xiàn)了利用一個星形拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)。在這個結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)傳感器將人體信號傳送到個人服務(wù)設(shè)備上，然后個人服務(wù)設(shè)備依次將加工過的生理數(shù)據(jù)傳送到一個接入點(diǎn)上。

圖2（d）和圖2 （e）呈現(xiàn)了相對于二級BAN的優(yōu)點(diǎn)。在第一級中，大多數(shù)有線或者無線的傳感器連接到了一個單一中樞處理器上，以此來減少原始數(shù)據(jù)并且節(jié)約能量。這樣一來，在數(shù)據(jù)融合之后，便需要從中樞處理器所傳送到個人服務(wù)設(shè)備的數(shù)據(jù)規(guī)模。但是，這些解決辦法也帶來了許多挑戰(zhàn)，比如高級傳感器通過考慮特殊生物醫(yī)學(xué)通信特點(diǎn)來對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工。例如，文獻(xiàn)[6]中采用了一個兩級基礎(chǔ)的BAN內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)，一個節(jié)點(diǎn)從傳感器接收型號，并且把它傳送到另一個連接在圖2（e）中所示的基站的節(jié)點(diǎn)上。顯而易見，從采納圖2（a）到采納圖2（e）的系統(tǒng)復(fù)雜性增加了。

2.2 BAN相互通信

相對于WSNs系統(tǒng)通常是自動運(yùn)行的，BAN系統(tǒng)很少單獨(dú)工作。在這部分，我們將“BAN相互通信”定義為個人服務(wù)設(shè)備和一個或多個接入點(diǎn)（APs）之間的聯(lián)系。APs可以作為基礎(chǔ)設(shè)施部署，或者是策略性地布置在為緊急情況而設(shè)置的動態(tài)環(huán)境中。同樣的，BAN相互通信的功能是用來使BANs能夠和各種在日常生活中容易使用的網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系，比如因特網(wǎng)和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。

我們把BAN相互通信模范通常細(xì)分為兩個子目錄——基于基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)和基于特殊情況的結(jié)構(gòu)?；诨A(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)可以提供更大的帶寬，更集中的控制和更高的靈活性，相對而言，基于特殊情況的結(jié)構(gòu)具有當(dāng)遇到動態(tài)環(huán)境可以快速調(diào)度的能力，例如遇到醫(yī)學(xué)的緊急情況需要應(yīng)對或者是在災(zāi)區(qū)發(fā)生突發(fā)情況的事件下。

2.3 BAN外部通信

相對于第二層的BAN相互通信，第三層的BAN外部通信是為了BAN在大都市地區(qū)的使用而設(shè)計的。為了連接BAN相互通信與BAN外部通信，可以使用一個網(wǎng)間連接裝置比如PDA來創(chuàng)建一個這兩者之間的無線連接。

如圖1所示，BAN外部通信層可以通過細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)或者因特網(wǎng)來授權(quán)個人權(quán)威醫(yī)療保健員（醫(yī)生或護(hù)士）來獲取偏僻地區(qū)病人的醫(yī)保信息從而進(jìn)一步提高E-healthcare系統(tǒng)的應(yīng)用和覆蓋范圍。

數(shù)據(jù)庫同樣是BAN外部通信層不可或缺的一個部分。這個數(shù)據(jù)庫主要是存儲用戶的檔案和病史。根據(jù)用戶的服務(wù)優(yōu)先權(quán)和醫(yī)生的使用權(quán)，醫(yī)生可以在需要時獲得用戶的信息。與此同時，基于這份數(shù)據(jù)的自動化通知可以通過各種通訊方式發(fā)送給病人的親屬。

對于BAN外部通信層的設(shè)計是根據(jù)不同的應(yīng)用所變化的，并且應(yīng)該要根據(jù)用戶特殊的需求隨時更新。例如，如果根據(jù)時刻更新所傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的人體信號發(fā)現(xiàn)了任何異常，一個警告就可以以郵件或短訊的形式通知病人或者是醫(yī)生。有必要的話，醫(yī)生或者是其他護(hù)理者可以通過網(wǎng)絡(luò)視頻會議與病人進(jìn)行交流。事實(shí)上，醫(yī)生根據(jù)視頻交流和病人存儲在數(shù)據(jù)庫或由病人穿戴的BAN傳感器發(fā)送的生理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對病人的遠(yuǎn)距離診斷是有可能實(shí)現(xiàn)的。

對于旅游等移動的病人，如果醫(yī)療警報被觸發(fā)，則他有可能正經(jīng)歷生死攸關(guān)的境況。通過使用以上結(jié)構(gòu)的BAN通信系統(tǒng)的幫助，應(yīng)急情況部門可以從醫(yī)療保健數(shù)據(jù)庫上搜到所有必要的醫(yī)療信息并根據(jù)已知的醫(yī)療情況來救治病人。

3 BAN的應(yīng)用領(lǐng)域

不斷發(fā)展的BAN也有了越來越廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，它與其他無線技術(shù)相接觸，例如WSNs，RFID技術(shù)[7]，Zigbee[8]，藍(lán)牙，WiBree[9]，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，WPAN，WLAN，因特網(wǎng)和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。在這種情況下，更多自動和智能應(yīng)用將會被視為提高人類生活水平的關(guān)鍵。有諸多應(yīng)用從BAN和日新月異的無線技術(shù)的結(jié)合中受益，如圖3 所示。

圖3 BAN的應(yīng)用領(lǐng)域

4 信息安全

在BAN中，傳感器之間與健康狀況有關(guān)的信息交流容易出現(xiàn)安全問題，分別體現(xiàn)在以下四個方面：數(shù)據(jù)保密性，數(shù)據(jù)權(quán)威性，數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)新鮮度。

（1）數(shù)據(jù)保密性：數(shù)據(jù)保密性意味著被傳輸?shù)男畔⑹菄?yán)格屬于隱私范圍并且只能被授權(quán)者獲取，比如照顧病人的醫(yī)生。通常是通過對稱或者不對稱的密鑰來進(jìn)行加密。

（2）數(shù)據(jù)權(quán)威性：數(shù)據(jù)權(quán)威性提供了保證信息是被所聲稱是發(fā)送者的人發(fā)送的。為了達(dá)到這個目的，信息認(rèn)證碼通過一個分享的密鑰進(jìn)行計算。

（3）數(shù)據(jù)完整性：數(shù)據(jù)完整性可以保證我們收到的是未經(jīng)篡改的信息。通過證實(shí)，信息認(rèn)證碼可以對其進(jìn)行檢查。

（4）數(shù)據(jù)新鮮度：數(shù)據(jù)新鮮度保證收到的數(shù)據(jù)是最近的，并且不是會產(chǎn)生干擾或被替換過的陳舊信息。一個應(yīng)用得較廣泛的方法是添加一個每發(fā)送一次信息數(shù)值就加一的計數(shù)器。

5 其他問題

5.1 能量供應(yīng)問題

所有的BAN設(shè)備由于數(shù)據(jù)收集、加工和傳輸都會對能量來源有所要求，合適的能量供應(yīng)就成了最重要的問題。大多數(shù)BAN設(shè)備是由電池驅(qū)動的，但是單設(shè)備植入人體內(nèi)時，電池是不可能被替換的。因此，類似于遠(yuǎn)程電池充電的技術(shù)就很重要了。除了許多課題正在研究的能量采集器的方法，MIT的研究者們最近報道對電子電力設(shè)備通過利用易消散的波[10]進(jìn)行短距離無線能量傳輸是可以實(shí)現(xiàn)的。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)化

有許多科學(xué)家正致力于研究互用性臺式機(jī)遠(yuǎn)距離醫(yī)學(xué)系統(tǒng)和床邊設(shè)備，例如Health Level 7和ISO/IEEE11073標(biāo)準(zhǔn)[11]。然而，在保護(hù)用戶隱私的前提下，使用BAN的智能監(jiān)控和治療系統(tǒng)要求適用于非固定的環(huán)境，并且可以提供醫(yī)療保健點(diǎn)而不用考慮用戶位置的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則。在應(yīng)用或領(lǐng)域級別的互用性協(xié)議，例如抽樣率，數(shù)據(jù)精度，連接/斷開連接，設(shè)備說明書以及術(shù)語，都應(yīng)該制定標(biāo)準(zhǔn)化的用戶界面。

6 結(jié) 語

人體局域網(wǎng)（BAN）是一個非常有前景的技術(shù)，可以預(yù)見，它會在下一代醫(yī)療保健系統(tǒng)和娛樂領(lǐng)域引起一場革命。但與此同時，它也在可測量性、能源效率、天線設(shè)計、服務(wù)質(zhì)量、共存、減輕干擾及安全隱私等方面給我們帶來了問題和挑戰(zhàn)。隨著時間的推進(jìn)，學(xué)術(shù)研究將不斷深入，這些問題在日后都會一一解決，而我們也會享受到人體局域網(wǎng)帶給我們的便利。

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