歐陽峰，張 宇

(1.國(guó)家新聞出版廣電總局 廣播科學(xué)研究院，北京 100866；2.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

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無線體域網(wǎng)研究進(jìn)展綜述

歐陽峰1，張 宇2

(1.國(guó)家新聞出版廣電總局 廣播科學(xué)研究院，北京 100866；2.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

無線體域網(wǎng)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，在其研究與應(yīng)用過程中，存在諸多問題與挑戰(zhàn)。文中從無線體域網(wǎng)的應(yīng)用與需求出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了無線體域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，重點(diǎn)闡述了當(dāng)前無線體域網(wǎng)研究的3個(gè)重點(diǎn)問題：傳輸可靠性、節(jié)能問題和共存性問題，總結(jié)了現(xiàn)有的研究進(jìn)展并提出建議和思路。

無線體域網(wǎng)；可靠性；節(jié)能；共存性

無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network, WBAN)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)的一個(gè)分支，是一種以人體為中心的短距離通信網(wǎng)絡(luò)，由置于人體周圍、體表以及體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。遍布全身的傳感器能夠?qū)θ梭w的一些重要生理參數(shù)(如體溫、血壓、心率、血氧濃度等)或者人體周圍的一些環(huán)境參數(shù)(如溫度、濕度等)進(jìn)行感知和采集，并通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)大多安置在胸部或者腰部等相對(duì)穩(wěn)定的位置，在接收到這些信息后通過WiFi或者移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器(如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心等)供專業(yè)人員進(jìn)行后續(xù)處理，如圖1所示。

隨著傳感器和通信技術(shù)的不斷發(fā)展，WBAN在日常生活和工作中將發(fā)揮重要的作用。但是WBAN在研究與應(yīng)用過程中依然存在很多問題與挑戰(zhàn)。本文對(duì)WBAN的存在問題和研究熱點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研和分析，介紹了WBAN的應(yīng)用領(lǐng)域、性能需求及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，重點(diǎn)分析了當(dāng)前WBAN研究的3個(gè)重點(diǎn)問題：傳輸可靠性、節(jié)能問題和共存性問題，總結(jié)了當(dāng)前研究進(jìn)展并提出了研究建議。

圖1 無線體域網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

1 無線體域網(wǎng)的應(yīng)用與需求

1.1 無線體域網(wǎng)的應(yīng)用范圍

WBAN可在以下領(lǐng)域發(fā)揮重要作用：(1)健康監(jiān)護(hù)。這是WBAN最具前景應(yīng)用和價(jià)值的領(lǐng)域。WBAN通過安置在人體體表或者體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，將人體健康相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地呈現(xiàn)給醫(yī)護(hù)人員與病患本身，幫助醫(yī)護(hù)人員實(shí)施適當(dāng)?shù)尼t(yī)療手段。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)還可以根據(jù)采集到的異常數(shù)據(jù)向醫(yī)護(hù)人員發(fā)出報(bào)警信息，提高緊急情況的處理反應(yīng)速度；(2)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練及娛樂。WBAN技術(shù)還可以應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練及比賽中。教練員可以根據(jù)采集的人體參數(shù)分析運(yùn)動(dòng)員目前身體狀態(tài)，在訓(xùn)練或比賽中采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)整策略，從而獲得更好的效果。另外，利用布置于人體體表的加速器和陀螺儀，WBAN可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作識(shí)別與捕捉，在互動(dòng)式娛樂中增強(qiáng)游戲帶入感和體驗(yàn)效果；(3)軍事活動(dòng)。通過WBAN采集的人體參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，士兵可以及時(shí)了解身體狀況和環(huán)境情況，做出正確的決策，避免危險(xiǎn)發(fā)生。此外，指揮官可以實(shí)時(shí)掌握軍隊(duì)士兵的位置、健康狀況以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境變化，為下達(dá)軍事命令提供重要參考信息。

1.2 無線體域網(wǎng)的性能要求

不同的應(yīng)用對(duì)WBAN的性能指標(biāo)有不同的要求，且這些性能要求在不同應(yīng)用中差距可能很大。如在健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域內(nèi)，幾百kbit·s-1的速度就能夠滿足各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集的人體信息；而在互動(dòng)式娛樂中，為了能夠傳輸視頻流，WBAN的傳輸速率需要達(dá)到10 Mbit·s-1以上。而對(duì)于誤碼率，健康監(jiān)護(hù)要求<10-10，互動(dòng)娛樂中的音頻流只需<10-5，而視頻流甚至只需<10-3。表1[1]給出了不同應(yīng)用對(duì)WBAN的性能要求。

表1 部分主要應(yīng)用對(duì)無線體域網(wǎng)的性能要求

2 無線體域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

通信領(lǐng)域的權(quán)威機(jī)構(gòu)如藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group)、電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE)為WBAN制定了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。與WBAN有關(guān)的3個(gè)重要協(xié)議是：IEEE 802.15.4[2]、IEEE 802.15.6[3]和低功耗藍(lán)牙協(xié)議[4]。

2.1 IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4于2006年發(fā)布，定義一種低能耗、低傳輸速率的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為多跳樹型結(jié)構(gòu)或全互聯(lián)結(jié)構(gòu)。其最大傳輸范圍為100 m，是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。WBAN作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，最初實(shí)現(xiàn)大多采用此協(xié)議。IEEE 802.15.4的協(xié)議棧包含物理層和MAC層。紫蜂協(xié)議(ZigBee)與6lowPAN是IEEE 802.15.4可選擇的兩種上層協(xié)議選項(xiàng)。

IEEE 802.15.4物理層規(guī)定了可用的3個(gè)頻率范圍：(1)868 MHz頻段，只包含一個(gè)20 kbit·s-1傳輸速率的信道；(2)915 MHz頻段，包含10個(gè)40 kbit·s-1傳輸速率的信道；(3)ISM 2.4 GHz頻段，包含16個(gè)250 kbit·s-1傳輸速率的信道。

IEEE 802.15.4的MAC層定義了兩種信道接入模式：信標(biāo)幀(Beacon)模式和非信標(biāo)幀模式。在信標(biāo)幀模式中，時(shí)間被分為等長(zhǎng)的片段稱為超幀(Superframe)。超幀由活躍期(Active Part)與休眠期(Inactive Part)組成。活躍期包括了基于CSMA/CA多址接入機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)接入?yún)^(qū)間(Contention Access Period)和基于TDMA多址接入機(jī)制的競(jìng)爭(zhēng)避免區(qū)間(Contention Free Period)。競(jìng)爭(zhēng)避免區(qū)間由若干個(gè)保證時(shí)隙構(gòu)成，這些保證時(shí)隙是由中心節(jié)點(diǎn)分配給指定的傳感器節(jié)點(diǎn)用于傳輸采集信息。在每一個(gè)超幀的起始時(shí)刻都要發(fā)送一個(gè)信標(biāo)幀，這些信標(biāo)幀中包含了該超幀的長(zhǎng)度、各個(gè)區(qū)間的長(zhǎng)度以及保證時(shí)隙的分配結(jié)果。在非信標(biāo)幀模式中，網(wǎng)絡(luò)只采取非時(shí)隙CSMA/CA多址接入機(jī)制進(jìn)行信道接入。

2.2 低功耗藍(lán)牙

低功耗藍(lán)牙協(xié)議的設(shè)計(jì)初衷是為了讓無線傳輸取代傳統(tǒng)的有線傳輸技術(shù)。它的主要特點(diǎn)是低功耗、低成本和強(qiáng)魯棒性。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只支持星型結(jié)構(gòu)。其最大傳輸距離為30 m。協(xié)議棧定義了整個(gè)TCP/IP協(xié)議棧。其低功耗、強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn)適用于WBAN。工作于ISM 2.4 GHz頻段，包含40個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為2 MHz，最高支持1 Mbit·s-1的傳輸速率。

其鏈路層將無線信道分為控制物理信道(Advertising Physical Channel)和數(shù)據(jù)物理信道(Data Physical Channel)。控制物理信道負(fù)責(zé)設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備接納以及廣播傳輸；數(shù)據(jù)物理信道負(fù)責(zé)正常數(shù)據(jù)傳輸。所有的信道都被分成時(shí)間單元，所有的控制幀以及數(shù)據(jù)幀都在時(shí)間單元內(nèi)進(jìn)行傳輸。中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)時(shí)間單元的分配以及其他控制操作。

2.3 IEEE 802.15.6

與上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不同，IEEE 802.15.6是IEEE專門為WBAN提出的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，在制定協(xié)議的過程中充分考慮了WBAN的特點(diǎn)和應(yīng)用環(huán)境。協(xié)議棧只包含了物理層和MAC層。其典型傳輸距離為3 m，最多支持64個(gè)節(jié)點(diǎn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持星型結(jié)構(gòu)與兩跳樹型結(jié)構(gòu)。

IEEE 802.15.6的物理層有3種模式，包括：(1)窄帶模式。主要應(yīng)用頻段為ISM段，最大傳輸速率支持1 Mbit·s-1；(2)超寬帶模式。分為兩個(gè)區(qū)間(3.25～4.75 GHz與6.6 Hz～10.25 GHz)，最高支持超過10 Mbit·s-1的傳輸速率；(3)人體通信模式。利用人體作為通信載體，信道中心頻率為21 MHz，最高傳輸速率1 Mbit·s-1。

IEEE 802.15.6的MAC層定義了3種運(yùn)行模式：(1)有信標(biāo)的超幀模式；(2)沒有信標(biāo)的超幀模式；(3)沒有信標(biāo)的非超幀模式。在有信標(biāo)的超幀模式中，時(shí)間軸被分為連續(xù)的超幀。與IEEE 802.15.4協(xié)議類似，IEEE 802.15.6協(xié)議的超幀由基于CSMA/CA或時(shí)隙ALOHA的競(jìng)爭(zhēng)階段與基于TDMA的非競(jìng)爭(zhēng)階段組成。競(jìng)爭(zhēng)階段又被細(xì)分為專用接入階段(Exclusive Access Phase)、隨機(jī)接入階段(Random Access Phase)和競(jìng)爭(zhēng)接入階段(Contention Access Phase)。專用接入階段中，只有緊急信息與報(bào)警信息才有權(quán)利競(jìng)爭(zhēng)并接入信道；而在隨機(jī)接入階段和競(jìng)爭(zhēng)接入階段，只有傳感器節(jié)點(diǎn)可以競(jìng)爭(zhēng)并接入信道傳輸數(shù)據(jù)或者控制信息，中心節(jié)點(diǎn)不允許占用信道進(jìn)行信息傳輸。在非競(jìng)爭(zhēng)階段，中心節(jié)點(diǎn)將傳輸時(shí)間分配給每一個(gè)有需求的傳感器節(jié)點(diǎn)用于傳輸周期性信息。在該階段，中心節(jié)點(diǎn)還可以使用輪詢方式為某些傳感器節(jié)點(diǎn)臨時(shí)分配傳輸時(shí)隙。在每一個(gè)超幀起始時(shí)刻，中心節(jié)點(diǎn)會(huì)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀。信標(biāo)幀中包括了該超幀長(zhǎng)度、超幀中各個(gè)階段起始時(shí)刻與時(shí)長(zhǎng)，以及非競(jìng)爭(zhēng)階段TDMA接入時(shí)段的時(shí)隙分配結(jié)果。此外，信標(biāo)幀還被看作整個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的基準(zhǔn)點(diǎn)。圖2為一個(gè)有信標(biāo)的超幀模式下的超幀結(jié)構(gòu)示例。在沒有信標(biāo)幀的超幀模式中，超幀只由非競(jìng)爭(zhēng)階段組成，中心節(jié)點(diǎn)利用輪詢方式安排各傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)隙。在沒有信標(biāo)的非超幀模式中，網(wǎng)絡(luò)采用CSMA/CA或時(shí)隙ALOHA多址接入方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制信息交互。

圖2 IEEE 802.15.6協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)示例圖

綜上所述，相較于低能耗藍(lán)牙和IEEE 802.15.4，IEEE 802.15.6提供了更加靈活和全面的物理層/MAC層機(jī)制，為滿足WBAN多樣的性能要求提供了協(xié)議框架和機(jī)制支持。

3 WBAN研究的主要問題與研究進(jìn)展

上述的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議雖然為WBAN的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)與協(xié)議框架，但是仍然存在一些亟需解決的技術(shù)問題和難點(diǎn)。

3.1 傳輸可靠性

傳輸可靠性是WBAN重要的性能之一。在健康監(jiān)護(hù)中，人體一個(gè)重要參數(shù)的傳輸錯(cuò)誤，很有可能會(huì)對(duì)醫(yī)生的判斷產(chǎn)生負(fù)面影響。若是傳輸錯(cuò)誤發(fā)生在緊急報(bào)警信息上，病人的急救有可能被耽誤。在WBAN中，由于人體的移動(dòng)和肢體的擺動(dòng)，安置在人體周圍和體表上的傳感器節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)的無線信道會(huì)發(fā)生變化。這些變化主要來自于人體造成的陰影效應(yīng)、節(jié)點(diǎn)間相對(duì)位置的變化以及周圍環(huán)境因素變化的影響。無線信道條件的變化，會(huì)引起節(jié)點(diǎn)間通信質(zhì)量的變化并最終導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)間傳輸可靠性的不穩(wěn)定。因此，如何提高WBAN的傳輸可靠性就成為必須要解決的問題。

3.1.1 研究現(xiàn)狀

目前對(duì)于保證傳輸可靠性的主要方法集中于兩個(gè)方面：(1)功率控制；(2)中繼傳輸。

利用功率控制來保證傳輸可靠性的這一類方法中，由于WBAN節(jié)點(diǎn)間信道條件變化頻繁，設(shè)計(jì)者的基本思路都圍繞著兩點(diǎn)：在無線信道條件好時(shí)盡可能降低發(fā)送功率，在保證傳輸可靠性的同時(shí)降低能量消耗；在無線信道條件差時(shí)提高發(fā)送功率，通過更高的信號(hào)強(qiáng)度，克服信道衰落，從而保證傳輸可靠性。文獻(xiàn)[5～7]是WSN中比較常用的3種功率控制方法，這3種方法都是基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的閉環(huán)反饋功率控制方法。WBAN雖然是WSN的一個(gè)分支，但把WSN的功率控制方法直接應(yīng)用到WBAN中是不可行的。主要原因是由于WSN的功率控制方法中認(rèn)為信道雖然是變化的，但是變化頻率不大；WBAN由于人體的頻繁活動(dòng)導(dǎo)致信道的頻繁變化。變化頻率的不一致導(dǎo)致WSN中為了進(jìn)行功率控制發(fā)送的大量控制開銷被放大，大量消耗了本來就很稀缺的能量資源。為此，Muhannad等人提出一種專門為WBAN設(shè)計(jì)的基于人體姿勢(shì)的動(dòng)態(tài)功率控制方法[8]。他們首先通過實(shí)驗(yàn)證明了發(fā)送功率與RSSI基本符合線性擬合。然后利用兩點(diǎn)擬合的手段估計(jì)人體當(dāng)前姿勢(shì)下發(fā)送功率與RSSI線性關(guān)系的斜率與截距，并基于該預(yù)測(cè)計(jì)算適合當(dāng)前姿勢(shì)下的最佳發(fā)送功率。文獻(xiàn)[9]提出一種基于閉環(huán)反饋的功率控制方法。作者利用RSSI反饋信息設(shè)計(jì)了一種功率控制方法。該方法通過調(diào)節(jié)參數(shù)，對(duì)節(jié)能與可靠性做很好的折中。最后還通過實(shí)際平臺(tái)測(cè)試該功率控制方法在實(shí)際應(yīng)用中的性能。除了上述的反饋型閉環(huán)功率方法，F(xiàn)abio等人還提出了一種基于預(yù)測(cè)的閉環(huán)功率控制方法[10]。該方法基于IEEE 802.15.6協(xié)議框架，利用接收信號(hào)的RSSI值預(yù)測(cè)下一次發(fā)送時(shí)刻的信道條件，并通過計(jì)算預(yù)測(cè)值與真實(shí)信道條件的均方誤差(MSE)，調(diào)整功率控制參數(shù)。

利用中繼傳輸提高傳輸可靠性的中心思想，就是將信息從一個(gè)處于深衰落信道的傳感器節(jié)點(diǎn)通過一個(gè)信道條件良好的中間節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)。在文獻(xiàn)[11]中，作者證明了適當(dāng)使用中繼可以顯著提高傳輸可靠性。文獻(xiàn)[12]中提出了一種基于預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)中繼傳輸方法。在該方法中，通過上一次傳輸?shù)男诺罈l件，預(yù)估下一次發(fā)送時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信道條件，計(jì)算并決定發(fā)送節(jié)點(diǎn)是否需要中繼，需要將信息傳輸給哪一個(gè)中繼，在哪一個(gè)時(shí)隙發(fā)送信息給中繼以及中繼在哪一個(gè)時(shí)隙中轉(zhuǎn)信息給中心節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，在人體走路模式下，相較于其他方法，該方法能夠更好地保證傳輸可靠性。在文獻(xiàn)[13]中，Jie Dong與David Smith設(shè)計(jì)了一個(gè)以發(fā)送功率、傳輸時(shí)隙以及中繼選擇為變量的優(yōu)化問題，通過求解優(yōu)化問題，獲得中繼傳輸?shù)倪x擇結(jié)果。仿真結(jié)果表明，通過優(yōu)化問題求解的方案可以有效保證傳輸可靠性。

3.1.2 建議和思路

基于上述內(nèi)容，在傳輸可靠性這個(gè)熱點(diǎn)問題，有如下幾方面思路值得關(guān)注：(1)目前而言，保證傳輸可靠性的主要目光都集中于功率控制與中繼傳輸。除此以外，還應(yīng)當(dāng)利用其它手段和方法來保證傳輸可靠性，例如動(dòng)態(tài)傳輸時(shí)隙分配機(jī)制；(2)在功率控制方法中，大多數(shù)方法都集中于反饋控制，作為控制論的另外一個(gè)方向，預(yù)測(cè)控制方法應(yīng)當(dāng)也予以足夠的重視；(3)對(duì)于節(jié)點(diǎn)的功率控制，現(xiàn)存研究成果均假設(shè)節(jié)點(diǎn)可以收到反饋信息。但是現(xiàn)實(shí)中也存在收不到反饋信息的情況，應(yīng)該考慮這種情況為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)相應(yīng)的解決辦法；(4)中繼傳輸中，選擇中繼的方法多數(shù)利用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和NP-hard的優(yōu)化問題求解；而WBAN的節(jié)點(diǎn)不具備較強(qiáng)計(jì)算能力。因此，在設(shè)計(jì)中繼選擇方法時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮計(jì)算復(fù)雜度。

3.2 節(jié)能問題

節(jié)能是另一個(gè)在WBAN領(lǐng)域中需要被重視的問題。一方面，多數(shù)傳感器的安置位置都附著在體表或植入體內(nèi)。植入體內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)需要通過外科手術(shù)才能完成替換或者充電，這對(duì)于使用者來說十分不便；附著在體表的傳感器節(jié)點(diǎn)雖然不需要通過手術(shù)完成替換或充電，但其替換或充電的過程仍然會(huì)對(duì)人體造成一定的不便。另一方面，為了增加使用者的舒適度，這些傳感器的體積和重量不會(huì)很大，使得這些傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能使用微小電池作為能量源。提高網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能性就是要求每一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)利用有限的能量最大限度地延長(zhǎng)自身壽命，降低替換或者充電頻率，減少手術(shù)可能性。

3.2.1 研究現(xiàn)狀

WBAN的能耗主要在于兩方面：(1)信息感知收集；(2)射頻模塊的發(fā)送與接收。文獻(xiàn)[14]通過實(shí)際測(cè)試證明信息收集所消耗的能量相較于射頻收發(fā)模塊的能耗可以忽略不計(jì)。MAC層協(xié)議可以直接控制射頻模塊的發(fā)送與接收，所以目前對(duì)于WBAN節(jié)能策略的研究主要偏向于高能效MAC層機(jī)制的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[1]指出，射頻模塊除了正常數(shù)據(jù)收發(fā)消耗的能量之外，主要的浪費(fèi)來源于數(shù)據(jù)幀碰撞、空閑監(jiān)聽和控制幀開銷。BodyMAC[15]、MedMAC[16]、DQBAN-MAC[17]使用了TDMA來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。這3種MAC協(xié)議通過超幀來規(guī)范網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸，利用廣播幀來發(fā)布超幀結(jié)構(gòu)和傳輸時(shí)隙分配結(jié)果，不僅避免了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)碰撞的可能，還大幅降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中使用的控制幀，降低了能量浪費(fèi)。DCAA-MAC[18]則優(yōu)化了CSMA/CA技術(shù)，改良隨機(jī)多址接入的相關(guān)機(jī)制來降低由于載波偵聽和數(shù)據(jù)幀碰撞造成的能量損失。PG-MAC[19]將超幀分為控制幀傳輸時(shí)段和數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)段。在控制幀傳輸時(shí)段中，協(xié)議利用時(shí)隙ALOHA協(xié)議；而在數(shù)據(jù)幀傳輸時(shí)段中，則使用TDMA接入方式。數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中又根據(jù)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)將傳輸時(shí)段分為若干個(gè)優(yōu)先級(jí)區(qū)間，滿足不同QoS的需求。文獻(xiàn)[20～23]則通過增加節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)間，降低節(jié)點(diǎn)空閑偵聽，從而減少不必要的能量損耗。文獻(xiàn)[20]利用一個(gè)信道偵聽的輔助信道來幫助節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽信道，降低節(jié)點(diǎn)的能量損失。文獻(xiàn)[21]中，作者在現(xiàn)有的喚醒無線電的基礎(chǔ)上提出一種VLPM機(jī)制，在增加射頻模塊休眠時(shí)間的基礎(chǔ)上，解決了無法同時(shí)兼顧低能耗與低時(shí)延的問題[24]。文獻(xiàn)[22～23]利用前導(dǎo)序列實(shí)現(xiàn)低能耗監(jiān)聽(Low Energy Listening)來降低喚醒節(jié)點(diǎn)時(shí)監(jiān)聽信道所需要的時(shí)間，盡可能延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間，降低網(wǎng)絡(luò)消耗，從而提高網(wǎng)絡(luò)壽命。文獻(xiàn)[22]使用一段長(zhǎng)的前導(dǎo)序列喚醒休眠節(jié)點(diǎn)，而文獻(xiàn)[23]則采用更為有效的多個(gè)短前導(dǎo)序列來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)喚醒工作。此外，文獻(xiàn)[10]中通過理論推導(dǎo)與仿真測(cè)試表明，利用中繼傳輸，距離中心節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可以節(jié)省可觀的發(fā)送能耗。Khoa等人在文獻(xiàn)[25]中提出一種中繼選擇方案，通過建立最優(yōu)化問題，求解使網(wǎng)絡(luò)能量消耗總和最小的最優(yōu)解來降低網(wǎng)絡(luò)的消耗。文獻(xiàn)[26]也通過建立最優(yōu)化問題來解決功率控制和中繼選擇的問題；仿真結(jié)果表明，通過松弛條件求解NP-hard問題，獲得的次優(yōu)解能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)能量消耗，提高網(wǎng)絡(luò)壽命。

3.2.2 建議和思路

除了上述解決手段，還應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：(1)現(xiàn)有解決方法更多將目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)整體的能量消耗，但是，WBAN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)因其功用不同而被部署在人體的不同位置且功能不可替代。若一個(gè)節(jié)點(diǎn)能量耗盡，則該節(jié)點(diǎn)承擔(dān)的功能不能被其余節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行不正常。所以，應(yīng)該將目光集中于節(jié)點(diǎn)級(jí)的能量消耗，將能量消耗與節(jié)點(diǎn)的自身參數(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性能的方法；(2)隨著能量收集技術(shù)(Energy Harvesting)的快速發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)的自我充電勢(shì)必會(huì)成為未來延長(zhǎng)WBAN壽命的關(guān)鍵技術(shù)。因此，在設(shè)計(jì)提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性能的方法時(shí)，可以結(jié)合節(jié)點(diǎn)的能量收集能力；(3)除了MAC層的相關(guān)機(jī)制，還可以考慮將網(wǎng)絡(luò)層、物理層和MAC層機(jī)制聯(lián)系在一起進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)，從整體上提高網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能性能。

3.3 共存性

這里所說的共存性分為兩方面：(1)WBAN與其他無線通信技術(shù)的共存性問題(大共存)；(2)多個(gè)WBAN之間的共存性問題(小共存)。WBAN采用的一個(gè)主要頻段是ISM2.4GHz，而在這個(gè)頻段中已經(jīng)存在的無線通信網(wǎng)絡(luò)包括WiFi、藍(lán)牙以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。尤其是WiFi，已經(jīng)普遍應(yīng)用于生活工作中，而且相較于WBAN，其速率很高，發(fā)射功率很大。與這些技術(shù)共存在這一個(gè)頻段內(nèi)，如果不采取適當(dāng)?shù)氖侄魏头椒?，WBAN的性能勢(shì)必會(huì)受到極大的影響。在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中，一個(gè)病房?jī)?nèi)有可能住著多位病人，如果每一位病人構(gòu)成一個(gè)WBAN系統(tǒng)，則在狹小的空間內(nèi)，這些相互距離很近的多個(gè)WBAN就會(huì)相互干擾，使得傳輸性能下降。IEEE 802.15.6協(xié)議只規(guī)定了單個(gè)體域網(wǎng)內(nèi)部的協(xié)調(diào)通信。針對(duì)多個(gè)體域網(wǎng)間的協(xié)調(diào)共存，協(xié)議提出了3種可能的解決方法，但并沒有提供實(shí)質(zhì)性的機(jī)制。

3.3.1 研究現(xiàn)狀

共存性研究目前還較少。大共存方面的研究多采用實(shí)驗(yàn)手段測(cè)試在有其他無線通信技術(shù)干擾的情況下WBAN性能的變化情況。文獻(xiàn)[27～29]中，作者都將注意力集中于WiFi對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。文獻(xiàn)[27]中，作者將實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景放在了醫(yī)院；文獻(xiàn)[28]中，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景被放在了公寓之中。而文獻(xiàn)[29]則是通過理論分析的方法，從時(shí)間和功率兩個(gè)方面分析WiFi對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)WiFi存在時(shí)，WBAN的丟包率會(huì)有明顯提升，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性。Flavia等人在文獻(xiàn)[30]中，通過仿真平臺(tái)測(cè)試了當(dāng)WiFi與WSN作為干擾源時(shí)WBAN性能的變化。除了對(duì)ISM2.4GHz頻段共存性的研究，文獻(xiàn)[31～32]還重點(diǎn)研究了使用超寬帶物理層的WBAN在有其余超寬帶無線通信干擾下的系統(tǒng)性能變化情況。對(duì)于解決小共存的問題，文獻(xiàn)[33]利用隨機(jī)幾何的手段分析了多個(gè)WBAN之間的相互干擾情況，并通過優(yōu)化方法得到載波偵聽的最佳距離，在保證傳輸可靠性的同時(shí)獲得最大的空間利用率。Shipeng等人提出一種跳頻方法[34]，將頻率分為多個(gè)信道，每一個(gè)初始化完成后的WBAN會(huì)檢索信道的使用率和干擾強(qiáng)度，選擇一個(gè)最合適信道進(jìn)行通信。當(dāng)通信的信道使用率變高時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)會(huì)重新進(jìn)行信道搜索，使得若干個(gè)WBAN能夠同時(shí)工作并保持一定服務(wù)質(zhì)量。Anagha等人提出一種基于IEEE 802.15.6的調(diào)度共存機(jī)制[35]。該機(jī)制分為網(wǎng)間調(diào)度與網(wǎng)內(nèi)調(diào)度，網(wǎng)間調(diào)度機(jī)制將所有的數(shù)據(jù)幀按照其應(yīng)用分為8個(gè)優(yōu)先級(jí)，并將相互重合的傳輸時(shí)隙分配給各個(gè)WBAN中優(yōu)先級(jí)較高的沖突節(jié)點(diǎn)，避免了沖突和干擾。在網(wǎng)內(nèi)調(diào)度中，作者使用模糊推理機(jī)制解決單個(gè)WBAN內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)通信問題。文獻(xiàn)[36]提出一個(gè)最優(yōu)化問題來解決動(dòng)物健康監(jiān)控時(shí)多個(gè)WBAN共存時(shí)的傳輸可靠性問題。作者使用一個(gè)兩階段啟發(fā)式算法，簡(jiǎn)化了最優(yōu)化問題的計(jì)算復(fù)雜度，使得多個(gè)WBAN能夠共存可靠的工作。在文獻(xiàn)[37]中，作者將相互干擾的傳感器節(jié)點(diǎn)加入干擾集合，給這些干擾集合內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)分配正交傳輸時(shí)隙，從而將多個(gè)體域網(wǎng)間的干擾降低，提高空間利用率。另外，文獻(xiàn)[38]還為共存性研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Matlab的仿真平臺(tái)，供研究者參考。

3.3.2 建議和思路

WBAN技術(shù)要想完全融入日常生活中，就需要與其他已經(jīng)大規(guī)模使用的無線通信技術(shù)共存。以下幾個(gè)方面值得關(guān)注：(1)在有WiFi、藍(lán)牙、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，如何保證WBAN的服務(wù)質(zhì)量；(2)IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)中提出3種解決小共存問題的方式，分別為Beacon幀平移技術(shù)、跳頻技術(shù)和超幀活躍期交織技術(shù)?，F(xiàn)有解決方法主要將注意力集中在跳頻技術(shù)上，其余2種方式需要更深入研究；(3)由于WBAN的移動(dòng)特性，依靠一個(gè)更高等級(jí)的中心節(jié)點(diǎn)來集中處理多個(gè)WBAN共存問題是不合適的，應(yīng)更多考慮分布式共存機(jī)制。

4 結(jié)束語

作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)的出現(xiàn)和廣泛的應(yīng)用前景，WBAN獲得了越來越多的關(guān)注。然而，眾多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)BAN的性能要求存在較大的差距，這就給設(shè)計(jì)者帶來了挑戰(zhàn)。本文介紹了WBAN的基本特點(diǎn)、應(yīng)用前景、性能要求以及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，重點(diǎn)分析了WBAN設(shè)計(jì)過程中的傳輸可靠性、節(jié)能以及共存性等3個(gè)熱點(diǎn)問題，針對(duì)每一個(gè)問題，概述了現(xiàn)有的研究進(jìn)展并分析了可能的研究思路，旨在為進(jìn)一步的研究工作提供參考。

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Research Progress of Wireless Body Area Network

OUYANG Feng1, ZHANG Yu2

(1.Academy of Broadcasting Science,SAPPRFT,Beijing 100866,China; 2.The State Key Laboratory of Integrated Services Networks,Xidian University,Xi’an 710071,China)

As a branch of wireless sensor networks, wireless body area network has a lot of problems and challenges in its research and application. In this paper, from the demand and application of wireless LAN, briefly introduces the standardization process of wireless body area network, focuses on 3 key issues of wireless body area network research: transmission reliability, energy saving and coexistence, summarizes the research progress of the existing and proposed suggestions and ideas.

WBAN;reliability;energysaving;co-existing

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.048

2016- 10- 13

863計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2011AA01A106)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2012BAH02B02)

歐陽峰(1979-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：通信工程，網(wǎng)絡(luò)信息安全技術(shù)。張宇(1990-)，男，博士研究生。研究方向：寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

TP393.04

A

1007-7820(2016)12-173-07