體域網(wǎng)通信的關(guān)鍵技術(shù)探討

錢蘭美　吳芳

摘要：分析體域網(wǎng)的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對(duì)體域網(wǎng)的通信協(xié)議IEEE802.15.4和IEEE802.15.6，分析通信中的時(shí)延、數(shù)據(jù)量、節(jié)點(diǎn)能耗和通信帶寬等技術(shù)難點(diǎn);進(jìn)而，得出兩類體域網(wǎng)通信優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：體域網(wǎng);通信協(xié)議;通信優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP393 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

體域網(wǎng)融合了傳感器技術(shù)、短距離無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)[1]。通過置于人體及其周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)感知各種生理和環(huán)境參數(shù)，以無(wú)線方式發(fā)送至基站或移動(dòng)單元，再經(jīng)由蜂窩網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至應(yīng)用層實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控。體域網(wǎng)的3層通信架構(gòu)如圖1所示。

第一層為感知層。感知層的核心是具有采集數(shù)據(jù)或者監(jiān)測(cè)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括各類植入式傳感器，可穿戴設(shè)備和環(huán)境傳感器[2]。傳感器節(jié)點(diǎn)由于自身存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)處理能力、通信能力和能量有限，通常只進(jìn)行數(shù)據(jù)的感知、采集和轉(zhuǎn)發(fā)，利用短距離無(wú)線通信技術(shù)與外部網(wǎng)絡(luò)之間建立通信。

第二層為傳輸層。傳輸層是連接感知層和應(yīng)用層的橋梁，包括基站（Basic Station， BS）、移動(dòng)單元（Mobile Unit）和個(gè)人設(shè)備（Personal Device， PD），如手機(jī)、筆記本電腦等，負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)信息，通過網(wǎng)絡(luò)將接收到的感知數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用層，必要時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

第三層為應(yīng)用層。應(yīng)用層基于特定應(yīng)用，由各種遠(yuǎn)程服務(wù)器組成，如遠(yuǎn)程醫(yī)療中心、急救中心等。服務(wù)器一方面接收傳輸層傳送過來(lái)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并及時(shí)向用戶提供反饋，另一方面可通過網(wǎng)絡(luò)訪問感知層，獲取所需的感知數(shù)據(jù)。

2網(wǎng)絡(luò)通信

體域網(wǎng)的低功耗、低速率、實(shí)時(shí)性等特殊需要，要求綜合考慮通信帶寬、數(shù)據(jù)量、節(jié)點(diǎn)能耗和傳輸時(shí)延等多方面要求。對(duì)體域網(wǎng)的通信進(jìn)行優(yōu)化是提高其性能的關(guān)鍵。

2.1通信協(xié)議

體域網(wǎng)的中心節(jié)點(diǎn)必須采用標(biāo)準(zhǔn)化的通信結(jié)構(gòu)與外界通信。而采用IEEE 802.15.6和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可提高置于人體內(nèi)，體表和體外傳感器、執(zhí)行器的通信速度，準(zhǔn)確性和可靠性。

目前， IEEE 802.15.4具有三個(gè)工作頻段： 2.4GHz、868M Hz、915MHz，它們的傳輸速度分別為250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，具有以下特點(diǎn)。

（1） 低功耗。睡眠喚醒時(shí)間短，只有15ms，在設(shè)備不工作時(shí)可采用休眠模式，同時(shí)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)射功率僅為1mW，因此設(shè)備耗電非常低。節(jié)點(diǎn)采用Zigbee 短距離無(wú)線通信方式，節(jié)點(diǎn)可以維持在較長(zhǎng)時(shí)間不用更換電池設(shè)備。

（2） 通信安全可靠[3]。發(fā)送數(shù)據(jù)過程中會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的完整性檢查，對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行AES-128加密。在發(fā)送過程中為數(shù)據(jù)預(yù)留了專用空隙，以避免數(shù)據(jù)沖突。在媒介控制層采用了消息反饋機(jī)制，當(dāng)接收到或收到信息需要發(fā)送確認(rèn)接收信息，保證信息交流的可靠性。在信息交互過程中出現(xiàn)問題，可以重新發(fā)送。

（3） 網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可以包含255 個(gè)節(jié)點(diǎn)，在不同信道上可以布置上百個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可容納60000多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

體域網(wǎng)的最新標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.15.6。在人體附近的小區(qū)域范圍內(nèi)，提供低功率，短距離的無(wú)線通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支持從75.9 Kbps窄帶到15.6 Mbps超寬帶的大范圍數(shù)據(jù)傳輸速率。IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)定義了一種傳輸速率最高可達(dá)10Mbps、最長(zhǎng)距離約3公尺的連接技術(shù)。不同于其他短距離、低功耗無(wú)線技術(shù)，新標(biāo)準(zhǔn)特別考量在人體表面或人體內(nèi)的應(yīng)用。其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：

（1） 每個(gè)體域網(wǎng)必須能夠支持256個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)能夠在很短時(shí)間內(nèi)（不到3秒）被刪除或添加到網(wǎng)絡(luò)。所有設(shè)備能夠以0.1 mW（-10 dBm）的功率發(fā)射，最大發(fā)射功率應(yīng)小于1 mW（0 dBm）。

（2） 體域網(wǎng)應(yīng)支持一定范圍的抖動(dòng)、延遲，并保證可靠性。在醫(yī)療應(yīng)用中，延遲應(yīng)小于125 ms，在非醫(yī)療應(yīng)用中小于250 ms，而抖動(dòng)應(yīng)小于50 ms。

（3） 體域網(wǎng)應(yīng)能夠在異構(gòu)環(huán)境中運(yùn)行，不同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)能夠相互協(xié)作以接收信息。鏈路應(yīng)支持10 Kb / s到10 Mb / s范圍內(nèi)的比特率[4]。

2.2技術(shù)難點(diǎn)

通信技術(shù)是體域網(wǎng)研究的關(guān)鍵技術(shù)，鑒于其協(xié)議的特殊要求，其主要技術(shù)難點(diǎn)如下。

（1）節(jié)點(diǎn)能耗。對(duì)于體域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，特別是植入人體內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)，其通信能力，可用內(nèi)存和計(jì)算能力都是受限的。為盡量減少干擾，處理健康問題，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須非常?。ㄍǔＰ∮?cm3），因而具有極低的傳輸功率。此外，體域網(wǎng)中的可植入設(shè)置使電池的安裝及供給相當(dāng)困難。

（2）傳輸時(shí)延。由于體域網(wǎng)主要傳輸?shù)氖遣∪说纳頂?shù)據(jù)，如脈搏心率，體溫，摔倒檢測(cè)數(shù)據(jù)等。若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，病人很可能得不到及時(shí)救助甚至死亡。因此體域網(wǎng)需要連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)體征信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到異常應(yīng)及時(shí)反饋給終端，因此要求傳輸時(shí)延盡可能小。

（3）通信帶寬。在通信帶寬受限的條件下，要求傳送數(shù)據(jù)占用的帶寬越小越好，否則帶寬資源易被消耗殆盡，造成網(wǎng)絡(luò)阻塞，甚至癱瘓。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，帶寬占用量越少越好。

（4）數(shù)據(jù)量。遠(yuǎn)程端為實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)病人的生理狀況，需要獲取全面多方位的信息，因而需要獲取大規(guī)模感知數(shù)據(jù)。只有保證大量足夠的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程端才能進(jìn)行全面準(zhǔn)確的分析，并將正確的信息反饋給用戶。

由此可見，體域網(wǎng)的這些難題很難同時(shí)克服。傳輸時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)能效要求相沖突，而數(shù)據(jù)量與節(jié)點(diǎn)能耗，通信帶寬的要求相沖突。因而解決這些沖突問題，實(shí)現(xiàn)沖突目標(biāo)的均衡題是體域網(wǎng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。

3兩類網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信的關(guān)鍵技術(shù)

心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)是體域網(wǎng)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的一類特殊應(yīng)用，通過無(wú)線傳感器實(shí)時(shí)采集人體的心電信號(hào)，并實(shí)時(shí)分析或者傳送給醫(yī)生進(jìn)行在線分析和診斷，這克服了傳統(tǒng)ECG檢測(cè)方法記錄時(shí)間短、記錄數(shù)據(jù)少、不易發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性問題、不能24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控等缺點(diǎn)，它具有記錄時(shí)間長(zhǎng)、記錄數(shù)據(jù)全、靈活方便、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。由于心電信號(hào)人體的重要生理參數(shù)，稍有延遲，就有延誤病人的最佳治療時(shí)機(jī)，甚至危及生命，因此，心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸時(shí)延要求高。同時(shí)，為減少節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，須適度降低數(shù)據(jù)傳輸速率，但這樣會(huì)增加心電數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延。因而，傳輸時(shí)延與節(jié)點(diǎn)能效要求相沖突，研究心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的兩目標(biāo)沖突問題，達(dá)到時(shí)延與能效的均衡是心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化的關(guān)鍵。

3.2 基于云環(huán)境的體域網(wǎng)通信關(guān)鍵技術(shù)

基于云環(huán)境的體域網(wǎng)為全面檢測(cè)病人的生理健康狀況，通過布設(shè)多類傳感器（溫度、血壓、血氧飽和度、運(yùn)動(dòng)傳感器等）采集人體的各類生理感知數(shù)據(jù)。在通信帶寬占用量受限，傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限的條件下，云端需獲取大規(guī)模感知數(shù)據(jù)。但是，獲取大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)，通信帶寬和傳感器節(jié)點(diǎn)能耗將相應(yīng)增加，因此通信帶寬，節(jié)點(diǎn)能耗和數(shù)據(jù)量三者之間與現(xiàn)實(shí)要求相沖突。因此設(shè)計(jì)合適的算法解決上述三目標(biāo)的沖突問題是該網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。

4 小結(jié)

簡(jiǎn)要介紹體域網(wǎng)的3層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，分析各層的組成、功能，針對(duì)體域網(wǎng)的通信協(xié)議IEEE802.15.4和IEEE802.15.6，分析通信中的時(shí)延、數(shù)據(jù)量、節(jié)點(diǎn)能耗和通信帶寬等技術(shù)難點(diǎn);進(jìn)而，得出兩類體域網(wǎng)通信優(yōu)化的關(guān)鍵技術(shù)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】