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無線體域網(wǎng)組網(wǎng)及管理研究綜述*

張政

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

摘 要通信技術(shù)的發(fā)展、生理傳感技術(shù)的進(jìn)步和日益增長的人體生理信息跟蹤需求等催生了無線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network），WBAN旨在提供實(shí)時(shí)的、無處不在的人體監(jiān)測(cè)來執(zhí)行獨(dú)立的早期預(yù)測(cè)、診斷和身體跟蹤響應(yīng)的護(hù)理，并日漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，其日漸成為研究的重點(diǎn)。隨著WBAN在人類日常生活中的重要性日趨突出，專用于無線體域網(wǎng)(WBAN)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6于2012年頒布。主要針對(duì)多個(gè)體域網(wǎng)網(wǎng)間組網(wǎng)及其管理進(jìn)行研究，同時(shí)對(duì)體域網(wǎng)間組網(wǎng)及管理的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)。最后，分析了無線體域網(wǎng)組網(wǎng)及管理需要解決的問題和未來研究的方向。

關(guān)鍵詞無線體域網(wǎng)；網(wǎng)間組網(wǎng)；網(wǎng)間管理

目前，無線體域網(wǎng)（Wireless Body Aree Network, WBAN）傾向于是無線個(gè)域網(wǎng)的延伸，在近距離無線通信領(lǐng)域，雖然存在無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)，但體域網(wǎng)這一概念將近距離無線通信的傳輸距離規(guī)定得更短，從而限定在人體周圍。WBAN就是以人體為中心，由分布在人身體上、衣物上甚至人身體內(nèi)部的各個(gè)節(jié)點(diǎn)（Node）和個(gè)人終端(Hub)等組成的通信網(wǎng)絡(luò)。通過WBAN，人可以和其身上攜帶的個(gè)人電子設(shè)備如個(gè)人數(shù)字助理、手機(jī)等進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)同步等，也可以在多個(gè)WBAN之間實(shí)現(xiàn)信息的交互。但是由于無線體域網(wǎng)中的很多設(shè)備主要在人體周圍或者體表甚至體內(nèi)工作，所以無線體域網(wǎng)較傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)有很多獨(dú)特的特點(diǎn)：無線體域網(wǎng)的傳輸范圍小；無線體域網(wǎng)傳輸技術(shù)對(duì)人體的傷害必須??；無線體域網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的異質(zhì)性；無線體域網(wǎng)用戶的異質(zhì)性；無線體域網(wǎng)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的生命周期長；無線體域網(wǎng)需要具有移動(dòng)性；無線體域網(wǎng)中數(shù)據(jù)的安全性；無線體域網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)體積要小。由于各傳感器節(jié)點(diǎn)或便攜式設(shè)備放置在人體身上，人仍可以正?；顒?dòng)。因此，對(duì)于人體不斷變化的姿態(tài)，體域網(wǎng)需要自適應(yīng)的去調(diào)整。所以，WBAN的設(shè)計(jì)需要靈活應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻率性的改變。

無線體域網(wǎng)其自身的特點(diǎn)和要求，使得已有的應(yīng)用于其它無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和算法并不能直接適用于無線體域網(wǎng)，必須尋找新的滿足無線體域網(wǎng)特征和需求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。目前對(duì)于無線體域網(wǎng)的研究還處于初步階段，距離邁向成熟還有一段路要走，它在面臨一些自身技術(shù)挑戰(zhàn)的同時(shí)還存在一些不能獨(dú)立解決的問題和限制。

對(duì)于單個(gè)體域網(wǎng)而言，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以是單跳的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，亦可以是有中繼的多條拓展星型網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于多個(gè)體域網(wǎng)共存環(huán)境而言，其組網(wǎng)方式可以是集中式，可以為分布式，亦可以是二者的混合方式，此項(xiàng)研究主要涉及多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、集中式與分布式、集中分布混合方式等的特性分析、性能評(píng)估、適用條件（如WBAN的組網(wǎng)，研究其現(xiàn)實(shí)方式和網(wǎng)絡(luò)管理）等。本文試圖從無線體域網(wǎng)網(wǎng)間組網(wǎng)和管理兩個(gè)方面，闡述現(xiàn)有的研究如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間干擾消除，網(wǎng)內(nèi)資源分配，并對(duì)這些方法進(jìn)行簡要的闡述總結(jié)，最后指出網(wǎng)間組網(wǎng)及其管理的新思路。

1　無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議

為了協(xié)調(diào)不同國家和地區(qū)的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在WBAN研究中存在的不可避免的差異性，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織IEEE一直積極推動(dòng)WBAN和其相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。IEEE802.15.4工作組自1998年3月成立以來，主要致力于無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Network ，WPAN）物理層和媒體接入控制層的標(biāo)準(zhǔn)化。由于WBAN被認(rèn)為是WPAN的擴(kuò)展和延伸，因此IEEE把WBAN的標(biāo)準(zhǔn)化工作納入IEEE802.15工作組。2003年10月，IEEE802.15工作組推出了用于低速無線個(gè)域網(wǎng)的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。2007年11月，IEEE 802.15工作組正式建立了第6任務(wù)組TG6，致力于WBAN 的標(biāo)準(zhǔn)化工作。從此，無線體域網(wǎng)的很多技術(shù)的研究開始朝著統(tǒng)一的概念和標(biāo)準(zhǔn)邁進(jìn)。2012 年4月，IEEE工作組正式提出了應(yīng)用現(xiàn)有的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段的針對(duì)人體內(nèi)外的短距離通信的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)——無線體域網(wǎng)[1]。這也標(biāo)志著體域網(wǎng)的發(fā)展翻開了嶄新的一頁。

2　組網(wǎng)架構(gòu)介紹

在IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了WBAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有兩種基本形式：單跳的星形、多跳的擴(kuò)展星形，如圖1所示。

典型的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型主要有分布式、集中式或者混合式三種。在WBAN網(wǎng)絡(luò)中，若是把單個(gè)WBAN看做是一個(gè)用戶，那么WBAN組網(wǎng)方式可以借鑒自組織網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。所以WBAN網(wǎng)間組網(wǎng)方式也有集中式和分布式兩種基本方式，如圖2所示。WBAN的組網(wǎng)方式和規(guī)模與組網(wǎng)開銷、服務(wù)質(zhì)量、人體類別、能量消耗等密切相關(guān)。

采用集中式組網(wǎng)時(shí)，由控制中心（CC）集中統(tǒng)一實(shí)施各WBAN的資源管理與分配。各WBAN向CC提交相關(guān)信息，譬如：數(shù)據(jù)通信量需求和WBAN異質(zhì)性（可以是WBAN優(yōu)先級(jí)），然后CC根據(jù)已有的頻譜資源和從各WBAN獲取的相關(guān)信息，基于一定的公平性準(zhǔn)則統(tǒng)籌頻譜資源的分配。

采用分布式組網(wǎng)時(shí)，WBAN之間需要交換相關(guān)信息?？紤]到網(wǎng)絡(luò)中WBAN的退出或新的WBAN的加入，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)WBAN均需要即時(shí)更新這些消息?；谝欢ǖ墓叫詼?zhǔn)則，WBAN之間可采用協(xié)作或非協(xié)作的方式使用頻譜資源，譬如，可引入合作博弈或非合作博弈理論指導(dǎo)頻譜分配。

網(wǎng)絡(luò)管理基于標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6的參考模型，如圖3所示；WBAN的組網(wǎng)方式、實(shí)現(xiàn)和管理需要定義相應(yīng)的管理和控制消息，管理和控制消息的格式基于標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.6的MAC幀格式，如圖4所示。

圖1　WBAN的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫纠?/p>

3　相關(guān)研究現(xiàn)狀

目前，有關(guān)體域網(wǎng)的研究大部分都集中在物理層。而對(duì)于體域網(wǎng)中的MAC研究，很多研究者都是在直接假設(shè)星型拓?fù)涫亲罴淹負(fù)涞那闆r下進(jìn)行的。WBAN網(wǎng)間干擾問題也日趨凸顯，文獻(xiàn)[2]針對(duì)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)下的WBAN，由于當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)缺少一種有效管理動(dòng)態(tài)WBAN的機(jī)制，所以為了減少來自無線網(wǎng)絡(luò)的干擾，文中提出了一種動(dòng)態(tài)共存管理（DCM）方案，來提高WBAN信息傳輸?shù)目煽啃訹2]。文獻(xiàn)[3]探討了WBAN網(wǎng)間干擾問題，基于博弈論，提出了一種分布式功率控制算法，以實(shí)現(xiàn)通過控制WBAN用戶的功率來減少WBAN網(wǎng)絡(luò)間的干擾，將多個(gè)WBAN用戶的功率消耗進(jìn)行博弈，找到最優(yōu)納什均衡。此外該算法通過調(diào)整能耗價(jià)格，來滿足具有不同能耗約束條件和不同服務(wù)質(zhì)量要求的WBAN的應(yīng)用請(qǐng)求[3]。文獻(xiàn)[4]中由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的是不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)，所以WBAN的流量不同，這就為如何有效的對(duì)動(dòng)態(tài)且種類不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行介質(zhì)訪問帶來了困難。針對(duì)數(shù)據(jù)異質(zhì)性，文中提出了一種動(dòng)態(tài)延遲MAC算法，來解決WBAN中流量多樣性問題，結(jié)果顯示在能耗水平保持不變的條件下可以降低時(shí)延。但是該方案是在標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4下進(jìn)行的[4]。文獻(xiàn)[5]針對(duì)不同傳感器有不同的帶寬要求，異質(zhì)流量的產(chǎn)生。文中在HBC平臺(tái)下提出一種帶有周期同步信息的統(tǒng)計(jì)MAC協(xié)議，基于TDMA，加入周期同步信息來實(shí)現(xiàn)異質(zhì)信息的傳輸，以及低的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。該協(xié)議是利用靈活的時(shí)間槽分配以及一個(gè)統(tǒng)計(jì)幀來實(shí)現(xiàn)確保能效的[5]。

體域網(wǎng)中有關(guān)網(wǎng)間組網(wǎng)和管理技術(shù)方面的研究比較少，大部分都是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。目前主要有文獻(xiàn)[6]基于圖著色理論提出了一種解決多個(gè)無線體域網(wǎng)間干擾的方案，將體域網(wǎng)間的干擾避免機(jī)制建模成一個(gè)圖著色的問題。不完全隨機(jī)著色方案，具有低時(shí)間復(fù)雜度和高空間復(fù)用度，能夠有效克服WBAN之間的干擾，和傳統(tǒng)的完全著色方案相比，不完全隨機(jī)著色方案沒有著色速率與空間復(fù)用之間的矛盾，所以它可以在任何空間復(fù)用要求下進(jìn)行快速認(rèn)知[6]。文獻(xiàn)[7]提出了一種用于共存體域網(wǎng)環(huán)境下信道和時(shí)間的自適應(yīng)分配方案。WBAN網(wǎng)間的信道資源是隨機(jī)分配，而網(wǎng)內(nèi)資源分配則是根據(jù)時(shí)隙長短來判定。但是該方案的WBAN網(wǎng)間資源分配是在同一信道上進(jìn)行的，網(wǎng)間節(jié)點(diǎn)的資源分配是在所分得的時(shí)隙上再次分配的。雖然考慮到各個(gè)WBAN用戶間的相互干擾問題，但是該方案僅是一種特例，不具有代表性[7]。文獻(xiàn)[8]聯(lián)合考慮WBAN中的資源分配，協(xié)調(diào)器部署位置，傳感器節(jié)點(diǎn)不同的QoS要求，傳感器節(jié)點(diǎn)之間的信道特性及人體姿勢(shì)。把聯(lián)合資源分配和協(xié)調(diào)器部署問題看成是能耗最小化問題。通過解決該最優(yōu)化問題，針對(duì)不同QoS要求的傳感器，提出了一個(gè)最優(yōu)聯(lián)合功率分配和協(xié)調(diào)器部署算法[8]。

圖2　WBAN組網(wǎng)示例

圖3　參考模型

4　存在的問題及進(jìn)一步的工作

無線體域網(wǎng)為了能長時(shí)間不間斷地采集身體重要的生理信息信號(hào)如溫度血糖血壓和心電信號(hào),人體活動(dòng)或動(dòng)作信息以及人體所在環(huán)境信息要求可穿戴或可植入傳感器節(jié)點(diǎn)的體積小、質(zhì)量輕、能耗低,其次無線體域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)通常靠電池供電。節(jié)點(diǎn)體積要求更高節(jié)點(diǎn)攜帶的電池容量非常有限，而植入到人體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)更換電池更是不現(xiàn)實(shí)。傳感器節(jié)點(diǎn)消耗能量的模塊包括傳感器模塊處理器模塊和無線通信模塊，研究表明傳感器節(jié)點(diǎn)絕大部分能量都消耗在無線通信模塊上。因此，怎樣合理對(duì)無線體域網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)及管理是提高能量有效性的有效途徑之一。

隨著WBAN技術(shù)的發(fā)展，多個(gè)WBAN同時(shí)出現(xiàn)的場(chǎng)景會(huì)越來越常見，如監(jiān)護(hù)中心，娛樂中心等。有關(guān)WBAN網(wǎng)間的研究大部分都是針對(duì)如何降低網(wǎng)間干擾，主要包括功率控制，接入模式與媒體訪問控制等方面，其中組網(wǎng)方式和統(tǒng)一管理也是降低干擾的有效途徑之一。由于新制定的IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)只給出了單個(gè)體域網(wǎng)內(nèi)部的相關(guān)規(guī)定，并未涉及多個(gè)WBAN，所以本文認(rèn)為對(duì)于網(wǎng)間組網(wǎng)和管理方面目前主要存在以下四個(gè)方面亟需解決。

圖4　參考模型

（1）新標(biāo)準(zhǔn)中并未給出多個(gè)WBAN組網(wǎng)方式，也未涉及到如何分配有限資源才能夠減少WBAN之間的干擾并且實(shí)現(xiàn)資源的合理利用，可以考慮參考自組織網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)特性進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)。包括集中式、分布式、集中分布混合方式等的特性分析、性能評(píng)估、使用條件，如多個(gè)WBAN規(guī)模、物理場(chǎng)景、人體需求等。

（2）多個(gè)WBAN組網(wǎng)的容量最大化問題。在給定頻譜資源和有多種約束條件下，多個(gè) WBAN組網(wǎng)規(guī)模大小。并且針對(duì)組網(wǎng)規(guī)模大小，WBAN類型等因素，來考慮選擇何種組網(wǎng)方式進(jìn)行組網(wǎng)，來盡可能的減少網(wǎng)間干擾，降低能耗。

（3）分析集中式WBAN自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，如何管理不同的WBAN用戶的加入與退出，使其能夠滿足集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下WBAN減少干擾、節(jié)省能量、提高QoS等要求。

（4）分析分布式WBAN自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，考慮WBAN的異質(zhì)性對(duì)資源分配的影響，既考慮盡可能多的為WBAN提供服務(wù)，又要考慮滿足各種不同優(yōu)先級(jí)WBAN的服務(wù)質(zhì)量要求，如需求程度高的用戶可以獲得優(yōu)先分配資源的權(quán)利。

5　結(jié)論

無線體域網(wǎng)間組網(wǎng)和管理方案是實(shí)現(xiàn)有限頻譜資源有效利用的根本保障，研究體域網(wǎng)在能量和資源受限的情況下，如何合理的組網(wǎng)及其管理使得效用最大化成為熱點(diǎn)。本文主要是從體域網(wǎng)網(wǎng)間組網(wǎng)和管理兩個(gè)方面，對(duì)近年來國內(nèi)外在該相關(guān)領(lǐng)域的主要研究成果進(jìn)行分析、闡述和總結(jié)，并且提出了尚未解決的問題，為進(jìn)一步研究提出了新的課題和思路。

參考文獻(xiàn)

[1]美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)(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

* 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.60972068),重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（CSTC，2011BB2144），重慶教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（No.KJ090502和KJ100517），重慶大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（200904B1A0010306），重慶郵電大學(xué)青年教學(xué)基金項(xiàng)目（A2008-28）。

收稿日期：2014-10-17

文章編號(hào)1008-5599（2015）01-0082-05

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

中圖分類號(hào)TN915