无线体域网

英文缩略语表

ARM Advanced RICS Machines 高级精简指令处理器 BAN Body Area Networks 体域网

CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 ECG Electro Cardio Gram 心电图 EEG Electro Encephalo Gram 脑电图

FCC Federal Communication Committee 联邦通信委员会 FDTD Finite Difference Time Domain 时域有限差分法 HBC Human Body Communication 人体通信 IBC Intra-Body Communication 体内通信

ISM Industry Science and Medical frequency 工业、科学和医学频段 JTAG Join Test Action Group 边界测试协议 LOS Length Of Sight 视距传输 LU Licensed User 授权用户

MICS Medical Implant Communication Service 医学植入通信服务频段 PAN Personal Area Networks 个域网 PCB Printed Circuit Board 印刷电路板 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 QOS Quality of Service 服务质量 RC Resistor and capacitor 电阻电容 RF Radio Frequency 射频

SAR Special Absorb Ratio 特定吸收率 SDR Software Defined Radio 软件无线电

SG-BAN Study Group Body Area Networks 体域网工作组 SNR Signal Noise Ratio 信噪比 TG Task Group 工作组

WBAN Wireless Body Area Networks 无线体域网

WMTS Wireless Medical Telemetry Service 无线医学遥感频段

表格目录

表2-1 人体不同组织电阻率测试值 ........................... 10 表5-1 数据处理板主要接口资源 ............................. 52 表5-2 数据处理板计算资源 ................................. 53 表5-3 数据传输板系统计算资源 ............................. 55 表5-4 数据传输板主要接口资源 ............................. 55 表5-5 中继节点和边缘节点系统计算资源...................... 57 表5-6 数据传输板主要接口资源 ............................. 57

插图目录

图2-1体域网数据传输抽象图 ......................................... 10 图2-2人体简化传输模型 ............................................. 11 图2-3 传输模型的等效RC电路 ....................................... 11

图2-4 基于分布式RC电路的等效人体模型 ............................. 12 图2-5 分布式RC人体模型的验证环境 ................................. 13

图2-6给定信号频率下，人体信道幅度响应随着信道长度的变化 ........... 14 图2-7给定信道长度时，人体幅度响应随着频率的变化关系 ............... 15 图2-8电极与人体接触面积与信号频率的关系 ........................... 16 图2-9无线体域网节点相对位置变化图 ................................. 17

图2-10人体信道传输频率在100MHz与无线2.4G天线传输特性对比 ........ 19 图3-1感知无线电基本感知周期示意图 ................................. 24 图3-2能量谱检测框图 ............................................... 25 图4-1能量检测算法图 ............................................... 31 图4-2频谱检测场景图 ............................................... 32

图4-3基于理想信道的能量检测检测概率和检测时间的关系 ............... 32

图4-4基于人体信道的能量检测，人体信道长度为0.15m，调制频率为131MHz33

图4-5信号频率为131MHz时，不同信号能量值时，频谱检测概率随着人体信道长度的变系 .......... 34

图 4-6 人体信道长度为 0.15m 时，不同信号能量，频谱检测概率随信号频率的变 化 ............................................................. 35

图4-7 理想信道情况下，信号检测概率随着人体信道长度的变化 .......... 36 图4-8无线信道利用率20%时，频谱检测概率随着人体信道长度的变化 ..... 36 图 4-9 在不同混合信道变化速率,人体信道长为 0.3m 时频谱检测概率随着信号能 量的变化关系 ................................................... 37

图4-10在不同混合信道变化速率,人体信道长为0.15m时,频谱检测概率随着信号 能量变化关系 ................................................... 38

图5-1无线体域网中所有节点分布场景 ................................. 41 图5-2无线体域网频谱感知粗检测方法流程图 ........................... 44 图5-3无线体域网频谱感知细检测方法流程图 ........................... 45 图5-4无线体域网内信道感知参数传输线路图 ........................... 46 图5-5无线体域网内边缘节点信息发送框图 ............................. 47 图5-6无线体域网数据帧结构 ......................................... 47

图5-7无线体域网中间节点信息处理模块框图 ........................... 48 图5-8无线体域网利用频谱空洞传输数据框图 ........................... 49 图5-9中心控制节点模块处理框图 ..................................... 50 图5-10数据处理板系统结构 .......................................... 52 图5-11中心控制节点数据收发板设计 .................................. 54 图5-12边缘节点和中继节点的系统结构 ................................ 56 图5-13中继节点和边缘节点的板级结构 ................................ 57

第一章 绪 论

1.1. 无线体域网的发展现状

无线通信技术发展极大得改变了人和人之间,人和多媒体设备之间以及人和各种 娱乐服务提供商之间的通信。无线通信技术的迅速发展也为人类提供了遍布世界的通 信网络，使得人们能够时时刻刻的享受到网络服务。正是在无线通信技术高速发展的 背景下，无线体域网的概念开始被提出。无线体域网中的技术主要被用于改善传统医 学治疗手段、方便患者或者残疾人员接收医疗监护和为电子消费者提供更便捷、更高 速率、更好的服务质量的娱乐体验[1]。但是在体域网概念被提出的初期，不同国家和 地区的研究机构和企业对该领域的 存在很多差异。为此，2006年11月旨在为无 线体域网领域制定统一规范的IEEE 802.15 SG-BAN正式成立。从此，无线体域网的 很多技术的研究开始朝着统一的概念和标准迈进。

无线体域网技术虽然是无线通信技术的进一步发展和延伸，但是由于无线体域网 中的很多设备主要应用于人体周围使得无线体域网较传统的无线通信有很多独特的 特点：

首先，无线体域网的传输范围小。定位于时时刻刻，无处不在的传统通信技术的 传输范围最大的特点就是广。相比之下，无线体域网定位于将人体周围的无线传输设 备组成网络以便于与外界进行数据交换。因此，无线体域网解决的主要人体周围小范 围的数据传输。

其次，无线体域网传输技术对人体的影响必须被放在很高的位置来考虑[2]。由于 无线体域网中很多的设备或者是植入人体内或者是贴附在人体表面或者是佩带在身 体周围，因此，在采用数据传输技术进行数据传输时，必须在尽可能降低对人体的危 害的前提下进行。

无线体域网本身的特点为传统的无线传输技术在应用于无线体域网时增加新的约 束条件重新分析和设计。随着 802.15 SG-BAN组织的成立和不断发展，无线体域网中 很多关键技术开始被提出来。这些关键技术包括：无线体域网应用场景分类，无线体 域网的应用频段管理[3]，无线体域网信道建模[4]和物理层设计（包括天线设计）等。 在绪论部分将主要对无线体域网关键技术中的应用频段管理和传输技术等进行讨论, 其他关键技术将在后续章节展开。 1.2. 无线体域网分类

无线体域网是由一系列贴附在人体上或者植入人体内的传感器节点组成的网络。 根据这些节点信息采集类型和传输信息内容的不同，无线体域网的应用场景可以分为 医疗监护、伤残辅助和消费娱乐等[5,6]。

无线体域网中重要的应用分类是医疗监护和医学治疗。在该类应用中，无线体域 网中的设备主要是由能检测生命信息功能的传感器组成的。无线体域网内设备采集的 信息包括血压、ECG、EEG、脉搏、葡萄糖浓度和体温等。典型应用是采用这些传感器 来实时的监控医院里病人的状态[7]。通过把贴在人体上的体域网设备，重要的生理信 息和健康数据先被获取，然后被传输到一个医护中心用于对病人的身体状况的监护。 这种应用能够有效的减低医护人员的工作负担并提高管理病患的效率。一些使用体域 网中传感器数据的模型包括家庭的健康监护、老年人监护和身体恢复协助治疗等。 更高级的医学应用可以扩展到医学闭环控制。在这类应用中来自传感器的数据被 传输到控制单元。在控制单元中，医学测量被完成并且测量结果会被传输到执行单元， 由执行单元根据控制中心的命令来执行相应的医学处理操作[8]。上述应用的一个例子 是用于解决患者心率不齐问题而植入人体的自动控制的心脏起搏器。在该控制过程中， 首先，心律控制器利用传感器收集交感神经信号；然后，心律控制器计算出正确的心

跳速率并指导心律调整器；最后，心律调整器将心跳调整到正确的心跳节律。 在伤残辅助领域，无线体域网也有广泛的应用空间。一个比较典型的应用是[7]中 给出的用于避免在社会老龄化中避免老年人的不慎跌倒的频繁发生的设备。该领域的 器件用于在老年人跌倒前及时给出警报以便于老年人有足够的时间来进行准备最终 减轻摔倒对人体的损伤[8]。

无线体域网在消费娱乐领域的应用包括用户接口、无线耳脉、同步的音频和视频、 音频或者视频流传输、视频游戏控制、娱乐数据和传感器等[9]。这些领域中使用的无 线体域网技术不仅能减少有线连接、提高使用的方便性而且还能提供多个人之间资源 共享。

除了应用场景的分类，根据无线体域网的设备位于人体内或者佩带在人体外，无 线体域网可以分为植入人体的或者佩戴在体表的[10]。无线体域网中医学和非医学领 域应用都有采用佩带在人体周围的体域网设备，但是对于植入人体内无线体域网设备 来说主要还是用于医学领域。对佩戴在人体的无线体域网应用来说，美国国家宇航局 曾经提出一种可以穿在人身上的设备来与人体外的检测平台进行数据交换以便于对 宇航员重要的生理信息进行实时检测。对于植入人体内的无线体域网应用来说，一个 比较直接的例子是通过植入人体的无线设备来对特定身体部位的图像或者其他信息 进行采集。植入人体内的无线设备的最大特点就是功耗小，上限为1uW[11]。这类设备 通过微带线或者特别设计的天线与人体外进行数据传输。

1.3. 无线体域网的传输技术和工作频段

无线体域网应用的设备主要的特点是低辐射功率、低功耗、高 QoS、高可靠性、 小尺寸和重量轻等。从低辐射功率的角度看，潜在的能够被用于无线体域网中的传输 技术重要特点是比较短的传输距离。可用于无线体域网内数据传输的潜在技术主要包 括：能够用于比较低频段的低电平无线电波、采用802.15.4标准的Zigbee 技术、采用 802.15.1 标准的蓝牙以及支持 802.15.4a 标准的蓝牙[12]等。虽然看来潜在的可用于无 线体域网中的技术很多，但是在实际系统设计时需要根据不同的应用场景、不同的业 务要求以及不同的无线设备数目等对将采用的技术进行选择。

无线通信顺利开展的要素是传输环境。无线传输环境的重要组成是无线频谱。根

据802.15 SG‐BAN工作组的讨论结果，未来无线体域网在美国可用的工作频段如下[13]： 首先，WMTS 频段。该频段是 FCC 定义的用于双向和单向电磁信号测量和医学参 数和病人相关的信息记录的频段。由于无线体域网主要应用场景就是医学场景，因此， 对于应用于医学领域的无线体域网内通信设备来说可以采用该频段。但是，由于该频 段是被FCC分配的，因此对于利用该频段传输的用户提供了非常高的限制，包括不允 许利用该频段传输音频和视频，同时对用户的带宽等进行限制。

其次，ISM 频段。由于FCC 并没有要求所有的医学设备都使用无线医学遥感频段， ISM 频段作为该频段的有效替代者也被广泛的应用。ISM 主要的特点是，可用的频段 比 WMTS 频段的带宽，且允许传输语音和视频业务。另外，该频段还有保护频段用 于防止相邻频段的传输干扰。不足的地方是该频段会受到其他已有无线移动设备的干 扰。

第三，MICS频段。该频段是FCC专门针对新近出现的高级医学使用而划分的用于 植入人体的医学设备传输信息的通信频段。该频段对于具体传输业务没有严格的要求 但是该频段只能被用于植入体内设备的数据传输。

第四，在可用的无线频谱资源中还包括广大未被注册的频段，这些频段主要集中 在高频段。这些频段可以根据不同国家和地区的情况被注册使用，这样能够避免不必