人体局域网BAN技术综述

0 引 言

根据世界卫生组织的统计，人口老龄化正成为一个越来 越严重的问题。他们指出，世界老龄人口数目将会在 2025 年 翻倍，也就是说，到 2025 年，老年人口比例将达到 22%。与 此同时，生活习惯也使得成千上万的人每天受到肥胖和慢性病 的折磨。正因如此，发达国家面临越来越高的医保成本 [1]。这 种境况若持续下去，现已过度负荷的医保所能带给我们的服 务质量必将呈现下滑的趋势，而引入对现行医疗保障体系能有 驱动型提高的新兴技术，也就是人体局域网（BAN）成为了必然。

1 区分 BAN 与 WSNs

人体局域网（BAN）是一种新型的网络结构，是对重量轻、 体积小、超低功耗以及可以实现智能监控的可穿戴传感器的 进一步改造和实现。在人体局域网中，传感器持续不断地监 控人体的生理活动和动作，例如健康状况和情感模式。人体 局域网需要相应的协议和算法来达到这些功能。然而，尽管已 有许多算法和协议为传统的无线传感器网络（WSN）[2] 而设计， 但它们对于人体局域网特殊的功能和应用需求并不合适。由此 我们给出人体局域网（BAN）和 WSN 的区别，具体见表 1 所列。

2 BAN 通信体系结构

与其他现存技术相较，如 WLAN，BAN 通过复杂而普 遍的无线计算设备使在人体内部或周围的无线通信成为可能。

图 1 所示为 BAN 通信体系的结构图。

图 1 给出了基于 BAN 的健康监视系统的大致结构。ECG （心电图）、EEG（脑电图）、EMG（肌电图）、动作传感器和血 压传感器把数据发送到邻近的个人服务设备上，然后，通过 蓝牙 / 无线局域网的连接将这些数据流送到遥远的医生家中 进行实时诊断，或者送到一个医疗数据库进行记录保存，再 或者送到一个出现了紧急状况的相关设备上。通常，我们把 BAN 的通信体系结构分成 ：通信一层（BAN 内部通信）、通 信二层（BAN 相互通信）、通信三层（BAN 外部通信）三个部 分。这些部分囊括了从低级设计到高级设计的大多数方面并且 促成了基于组件且能应用于多方面的高效 BAN 系统。通过定 制设计不同部分的成本、覆盖范围、效率、带宽和服务质量， 根据特殊应用的上下文环境和市场需求所提出的特殊要求是 可以被满足的。图 2 所示是与 APs 相连的具体方式。

2.1 BAN 内部通信

BAN 内部通信指的是在人体周围 2 米的范围内进行无线电通信，这一部分可以被进一步划分为 ：（1）人体和传感器之 间的通信；（2）人体传感器和便携式个人服务设备之间的通信。 由于和人体传感器以及 BANs 会建立直接的关系，BAN 的内 部通信显得至关重要。进一步说，现存人体传感器所固有的电 池供电和低比特率的特性使得设计一个带有服务质量条款的 有效的媒体访问控制协议成为一个挑战性的问题。

为了避免互联的无线传感器和个人服务设备所带来的挑 战，现存的一些架构比如 MITHril[4] 和 SMART[5] 利用电缆直 接将多数在市场上可买到的传感器和个人服务设备进行直接 连接，如图 2（a）所示。

 而另一方面，CodeBlue 规定传感器不通过个人服务设备 而直接与接入点相连，如图 2（b）所示。与之前两种途径相比， 图 2（c）呈现了利用一个星形拓扑的典型结构。在这个结构中， 大多数传感器将人体信号传送到个人服务设备上，然后个人服 务设备依次将加工过的生理数据传送到一个接入点上。

图 2（d）和图 2（e）呈现了相对于二级 BAN 的优点。在 第一级中，大多数有线或者无线的传感器连接到了一个单一中 枢处理器上，以此来减少原始数据并且节约能量。这样一来， 在数据融合之后，便需要从中枢处理器所传送到个人服务设备 的数据规模。但是，这些解决办法也带来了许多挑战，比如 高级传感器通过考虑特殊生物医学通信特点来对数据进行加 工。例如，文献 [6] 中采用了一个两级基础的 BAN 内部通信 结构，一个节点从传感器接收型号，并且把它传送到另一个连 接在图 2（e）中所示的基站的节点上。显而易见，从采纳图 2（a） 到采纳图 2（e）的系统复杂性增加了

2.2 BAN 相互通信

相对于 WSNs 系统通常是自动运行的，BAN 系统很少 单独工作。在这部分，我们将“BAN 相互通信”定义为个人 服务设备和一个或多个接入点（APs）之间的联系。APs 可以 作为基础设施部署，或者是策略性地布置在为紧急情况而设 置的动态环境中。同样的，BAN 相互通信的功能是用来使 BANs 能够和各种在日常生活中容易使用的网络互相联系，比 如因特网和细胞网络。

我们把 BAN 相互通信模范通常细分为两个子目录—— 基于基础设施的结构和基于特殊情况的结构。基于基础设施 的结构可以提供更大的带宽，更集中的控制和更高的灵活性， 相对而言，基于特殊情况的结构具有当遇到动态环境可以快 速调度的能力，例如遇到医学的紧急情况需要应对或者是在灾 区发生突发情况的事件下。

2.3 BAN 外部通信

相对于第二层的 BAN 相互通信，第三层的 BAN 外部通 信是为了 BAN 在大都市地区的使用而设计的。为了连接 BAN 相互通信与 BAN 外部通信，可以使用一个网间连接装置比如 PDA 来创建一个这两者之间的无线连接。

如图 1 所示，BAN 外部通信层可以通过细胞网络或者因 特网来授权个人权威医疗保健员（医生或护士）来获取偏僻地 区病人的医保信息从而进一步提高 E-healthcare 系统的应用和 覆盖范围。

数据库同样是 BAN 外部通信层不可或缺的一个部分。这 个数据库主要是存储用户的档案和病史。根据用户的服务优先 权和医生的使用权，医生可以在需要时获得用户的信息。与此 同时，基于这份数据的自动化通知可以通过各种通讯方式发 送给病人的亲属。

对于 BAN 外部通信层的设计是根据不同的应用所变化 的，并且应该要根据用户特殊的需求随时更新。例如，如果 根据时刻更新所传输到数据库的人体信号发现了任何异常，一 个警告就可以以邮件或短讯的形式通知病人或者是医生。有 必要的话，医生或者是其他护理者可以通过网络视频会议与 病人进行交流。事实上，医生根据视频交流和病人存储在数 据库或由病人穿戴的 BAN 传感器发送的生理数据信息进行对 病人的远距离诊断是有可能实现的。

对于旅游等移动的病人，如果医疗警报被触发，则他有 可能正经历生死攸关的境况。通过使用以上结构的 BAN 通信 系统的帮助，应急情况部门可以从医疗保健数据库上搜到所有 必要的医疗信息并根据已知的医疗情况来救治病人。

3 BAN 的应用领域

不断发展的 BAN 也有了越来越广阔的应用领域，它与其 他无线技术相接触，例如 WSNs，RFID 技术 [7]，Zigbee[8]，蓝牙， WiBree[9]，视频监控系统，WPAN，WLAN，因特网和细胞网络。 在这种情况下，更多自动和智能应用将会被视为提高人类生活水平的关键。有诸多应用从 BAN 和日新月异的无线技术的结 合中受益，如图 3 所示。

4 信息安全

在 BAN 中，传感器之间与健康状况有关的信息交流容易 出现安全问题，分别体现在以下四个方面 ：数据保密性，数 据权威性，数据完整性和数据新鲜度。

（1）数据保密性 ：数据保密性意味着被传输的信息是严 格属于隐私范围并且只能被授权者获取，比如照顾病人的医生。 通常是通过对称或者不对称的密钥来进行加密。

（2）数据权威性 ：数据权威性提供了保证信息是被所声 称是发送者的人发送的。为了达到这个目的，信息认证码通过 一个分享的密钥进行计算。

（3）数据完整性 ：数据完整性可以保证我们收到的是未 经篡改的信息。通过证实，信息认证码可以对其进行检查。

（4）数据新鲜度 ：数据新鲜度保证收到的数据是最近的， 并且不是会产生干扰或被替换过的陈旧信息。一个应用得较广 泛的方法是添加一个每发送一次信息数值就加一的计数器。

5 其他问题

5.1 能量供应问题

所有的 BAN 设备由于数据收集、加工和传输都会对能 量来源有所要求，合适的能量供应就成了最重要的问题。大多 数 BAN 设备是由电池驱动的，但是单设备植入人体内时，电 池是不可能被替换的。因此，类似于远程电池充电的技术就 很重要了。除了许多课题正在研究的能量采集器的方法，MIT 的研究者们最近报道对电子电力设备通过利用易消散的波 [10] 进行短距离无线能量传输是可以实现的。

5.2 标准化

有许多科学家正致力于研究互用性台式机远距离医学系 统和床边设备，例如 Health Level 7 和 ISO/IEEE11073 标准 [11]。 然而，在保护用户隐私的前提下，使用 BAN 的智能监控和治 疗系统要求适用于非固定的环境，并且可以提供医疗保健点而 不用考虑用户位置的标准化规则。在应用或领域级别的互用性 协议，例如抽样率，数据精度，连接 / 断开连接，设备说明书 以及术语，都应该制定标准化的用户界面。

6 结 语

人体局域网（BAN）是一个非常有前景的技术，可以预 见，它会在下一代医疗保健系统和娱乐领域引起一场革命。但 与此同时，它也在可测量性、能源效率、天线设计、服务质量、 共存、减轻干扰及安全隐私等方面给我们带来了问题和挑战。 随着时间的推进，学术研究将不断深入，这些问题在日后都 会一一解决，而我们也会享受到人体局域网带给我们的便利。