0 引 言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，人口老齡化正成為一個(gè)越來 越嚴(yán)重的問題。他們指出，世界老齡人口數(shù)目將會(huì)在 2025 年 翻倍，也就是說，到 2025 年，老年人口比例將達(dá)到 22%。與 此同時(shí)，生活習(xí)慣也使得成千上萬的人每天受到肥胖和慢性病 的折磨。正因如此，發(fā)達(dá)國家面臨越來越高的醫(yī)保成本 [1]。這 種境況若持續(xù)下去，現(xiàn)已過度負(fù)荷的醫(yī)保所能帶給我們的服 務(wù)質(zhì)量必將呈現(xiàn)下滑的趨勢(shì)，而引入對(duì)現(xiàn)行醫(yī)療保障體系能有 驅(qū)動(dòng)型提高的新興技術(shù)，也就是人體局域網(wǎng)（BAN）成為了必然。

1 區(qū)分 BAN 與 WSNs

人體局域網(wǎng)（BAN）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是對(duì)重量輕、 體積小、超低功耗以及可以實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的可穿戴傳感器的 進(jìn)一步改造和實(shí)現(xiàn)。在人體局域網(wǎng)中，傳感器持續(xù)不斷地監(jiān) 控人體的生理活動(dòng)和動(dòng)作，例如健康狀況和情感模式。人體 局域網(wǎng)需要相應(yīng)的協(xié)議和算法來達(dá)到這些功能。然而，盡管已 有許多算法和協(xié)議為傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）[2] 而設(shè)計(jì)， 但它們對(duì)于人體局域網(wǎng)特殊的功能和應(yīng)用需求并不合適。由此 我們給出人體局域網(wǎng)（BAN）和 WSN 的區(qū)別，具體見表 1 所列。

2 BAN 通信體系結(jié)構(gòu)

與其他現(xiàn)存技術(shù)相較，如 WLAN，BAN 通過復(fù)雜而普 遍的無線計(jì)算設(shè)備使在人體內(nèi)部或周圍的無線通信成為可能。

圖 1 所示為 BAN 通信體系的結(jié)構(gòu)圖。

圖 1 給出了基于 BAN 的健康監(jiān)視系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)。ECG （心電圖）、EEG（腦電圖）、EMG（肌電圖）、動(dòng)作傳感器和血 壓傳感器把數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近的個(gè)人服務(wù)設(shè)備上，然后，通過 藍(lán)牙 / 無線局域網(wǎng)的連接將這些數(shù)據(jù)流送到遙遠(yuǎn)的醫(yī)生家中 進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷，或者送到一個(gè)醫(yī)療數(shù)據(jù)庫進(jìn)行記錄保存，再 或者送到一個(gè)出現(xiàn)了緊急狀況的相關(guān)設(shè)備上。通常，我們把 BAN 的通信體系結(jié)構(gòu)分成 ：通信一層（BAN 內(nèi)部通信）、通 信二層（BAN 相互通信）、通信三層（BAN 外部通信）三個(gè)部 分。這些部分囊括了從低級(jí)設(shè)計(jì)到高級(jí)設(shè)計(jì)的大多數(shù)方面并且 促成了基于組件且能應(yīng)用于多方面的高效 BAN 系統(tǒng)。通過定 制設(shè)計(jì)不同部分的成本、覆蓋范圍、效率、帶寬和服務(wù)質(zhì)量， 根據(jù)特殊應(yīng)用的上下文環(huán)境和市場(chǎng)需求所提出的特殊要求是 可以被滿足的。圖 2 所示是與 APs 相連的具體方式。

2.1 BAN 內(nèi)部通信

BAN 內(nèi)部通信指的是在人體周圍 2 米的范圍內(nèi)進(jìn)行無線電通信，這一部分可以被進(jìn)一步劃分為 ：（1）人體和傳感器之 間的通信；（2）人體傳感器和便攜式個(gè)人服務(wù)設(shè)備之間的通信。 由于和人體傳感器以及 BANs 會(huì)建立直接的關(guān)系，BAN 的內(nèi) 部通信顯得至關(guān)重要。進(jìn)一步說，現(xiàn)存人體傳感器所固有的電 池供電和低比特率的特性使得設(shè)計(jì)一個(gè)帶有服務(wù)質(zhì)量條款的 有效的媒體訪問控制協(xié)議成為一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。

為了避免互聯(lián)的無線傳感器和個(gè)人服務(wù)設(shè)備所帶來的挑 戰(zhàn)，現(xiàn)存的一些架構(gòu)比如 MITHril[4] 和 SMART[5] 利用電纜直 接將多數(shù)在市場(chǎng)上可買到的傳感器和個(gè)人服務(wù)設(shè)備進(jìn)行直接 連接，如圖 2（a）所示。

 而另一方面，CodeBlue 規(guī)定傳感器不通過個(gè)人服務(wù)設(shè)備 而直接與接入點(diǎn)相連，如圖 2（b）所示。與之前兩種途徑相比， 圖 2（c）呈現(xiàn)了利用一個(gè)星形拓?fù)涞牡湫徒Y(jié)構(gòu)。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中， 大多數(shù)傳感器將人體信號(hào)傳送到個(gè)人服務(wù)設(shè)備上，然后個(gè)人服 務(wù)設(shè)備依次將加工過的生理數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)接入點(diǎn)上。

圖 2（d）和圖 2（e）呈現(xiàn)了相對(duì)于二級(jí) BAN 的優(yōu)點(diǎn)。在 第一級(jí)中，大多數(shù)有線或者無線的傳感器連接到了一個(gè)單一中 樞處理器上，以此來減少原始數(shù)據(jù)并且節(jié)約能量。這樣一來， 在數(shù)據(jù)融合之后，便需要從中樞處理器所傳送到個(gè)人服務(wù)設(shè)備 的數(shù)據(jù)規(guī)模。但是，這些解決辦法也帶來了許多挑戰(zhàn)，比如 高級(jí)傳感器通過考慮特殊生物醫(yī)學(xué)通信特點(diǎn)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加 工。例如，文獻(xiàn) [6] 中采用了一個(gè)兩級(jí)基礎(chǔ)的 BAN 內(nèi)部通信 結(jié)構(gòu)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)從傳感器接收型號(hào)，并且把它傳送到另一個(gè)連 接在圖 2（e）中所示的基站的節(jié)點(diǎn)上。顯而易見，從采納圖 2（a） 到采納圖 2（e）的系統(tǒng)復(fù)雜性增加了

2.2 BAN 相互通信

相對(duì)于 WSNs 系統(tǒng)通常是自動(dòng)運(yùn)行的，BAN 系統(tǒng)很少 單獨(dú)工作。在這部分，我們將“BAN 相互通信”定義為個(gè)人 服務(wù)設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)接入點(diǎn)（APs）之間的聯(lián)系。APs 可以 作為基礎(chǔ)設(shè)施部署，或者是策略性地布置在為緊急情況而設(shè) 置的動(dòng)態(tài)環(huán)境中。同樣的，BAN 相互通信的功能是用來使 BANs 能夠和各種在日常生活中容易使用的網(wǎng)絡(luò)互相聯(lián)系，比 如因特網(wǎng)和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。

我們把 BAN 相互通信模范通常細(xì)分為兩個(gè)子目錄—— 基于基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)和基于特殊情況的結(jié)構(gòu)?；诨A(chǔ)設(shè)施 的結(jié)構(gòu)可以提供更大的帶寬，更集中的控制和更高的靈活性， 相對(duì)而言，基于特殊情況的結(jié)構(gòu)具有當(dāng)遇到動(dòng)態(tài)環(huán)境可以快 速調(diào)度的能力，例如遇到醫(yī)學(xué)的緊急情況需要應(yīng)對(duì)或者是在災(zāi) 區(qū)發(fā)生突發(fā)情況的事件下。

2.3 BAN 外部通信

相對(duì)于第二層的 BAN 相互通信，第三層的 BAN 外部通 信是為了 BAN 在大都市地區(qū)的使用而設(shè)計(jì)的。為了連接 BAN 相互通信與 BAN 外部通信，可以使用一個(gè)網(wǎng)間連接裝置比如 PDA 來創(chuàng)建一個(gè)這兩者之間的無線連接。

如圖 1 所示，BAN 外部通信層可以通過細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)或者因 特網(wǎng)來授權(quán)個(gè)人權(quán)威醫(yī)療保健員（醫(yī)生或護(hù)士）來獲取偏僻地 區(qū)病人的醫(yī)保信息從而進(jìn)一步提高 E-healthcare 系統(tǒng)的應(yīng)用和 覆蓋范圍。

數(shù)據(jù)庫同樣是 BAN 外部通信層不可或缺的一個(gè)部分。這 個(gè)數(shù)據(jù)庫主要是存儲(chǔ)用戶的檔案和病史。根據(jù)用戶的服務(wù)優(yōu)先 權(quán)和醫(yī)生的使用權(quán)，醫(yī)生可以在需要時(shí)獲得用戶的信息。與此 同時(shí)，基于這份數(shù)據(jù)的自動(dòng)化通知可以通過各種通訊方式發(fā) 送給病人的親屬。

對(duì)于 BAN 外部通信層的設(shè)計(jì)是根據(jù)不同的應(yīng)用所變化 的，并且應(yīng)該要根據(jù)用戶特殊的需求隨時(shí)更新。例如，如果 根據(jù)時(shí)刻更新所傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的人體信號(hào)發(fā)現(xiàn)了任何異常，一 個(gè)警告就可以以郵件或短訊的形式通知病人或者是醫(yī)生。有 必要的話，醫(yī)生或者是其他護(hù)理者可以通過網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議與 病人進(jìn)行交流。事實(shí)上，醫(yī)生根據(jù)視頻交流和病人存儲(chǔ)在數(shù) 據(jù)庫或由病人穿戴的 BAN 傳感器發(fā)送的生理數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì) 病人的遠(yuǎn)距離診斷是有可能實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于旅游等移動(dòng)的病人，如果醫(yī)療警報(bào)被觸發(fā)，則他有 可能正經(jīng)歷生死攸關(guān)的境況。通過使用以上結(jié)構(gòu)的 BAN 通信 系統(tǒng)的幫助，應(yīng)急情況部門可以從醫(yī)療保健數(shù)據(jù)庫上搜到所有 必要的醫(yī)療信息并根據(jù)已知的醫(yī)療情況來救治病人。

3 BAN 的應(yīng)用領(lǐng)域

不斷發(fā)展的 BAN 也有了越來越廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，它與其 他無線技術(shù)相接觸，例如 WSNs，RFID 技術(shù) [7]，Zigbee[8]，藍(lán)牙， WiBree[9]，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，WPAN，WLAN，因特網(wǎng)和細(xì)胞網(wǎng)絡(luò)。 在這種情況下，更多自動(dòng)和智能應(yīng)用將會(huì)被視為提高人類生活水平的關(guān)鍵。有諸多應(yīng)用從 BAN 和日新月異的無線技術(shù)的結(jié) 合中受益，如圖 3 所示。

4 信息安全

在 BAN 中，傳感器之間與健康狀況有關(guān)的信息交流容易 出現(xiàn)安全問題，分別體現(xiàn)在以下四個(gè)方面 ：數(shù)據(jù)保密性，數(shù) 據(jù)權(quán)威性，數(shù)據(jù)完整性和數(shù)據(jù)新鮮度。

（1）數(shù)據(jù)保密性 ：數(shù)據(jù)保密性意味著被傳輸?shù)男畔⑹菄?yán) 格屬于隱私范圍并且只能被授權(quán)者獲取，比如照顧病人的醫(yī)生。 通常是通過對(duì)稱或者不對(duì)稱的密鑰來進(jìn)行加密。

（2）數(shù)據(jù)權(quán)威性 ：數(shù)據(jù)權(quán)威性提供了保證信息是被所聲 稱是發(fā)送者的人發(fā)送的。為了達(dá)到這個(gè)目的，信息認(rèn)證碼通過 一個(gè)分享的密鑰進(jìn)行計(jì)算。

（3）數(shù)據(jù)完整性 ：數(shù)據(jù)完整性可以保證我們收到的是未 經(jīng)篡改的信息。通過證實(shí)，信息認(rèn)證碼可以對(duì)其進(jìn)行檢查。

（4）數(shù)據(jù)新鮮度 ：數(shù)據(jù)新鮮度保證收到的數(shù)據(jù)是最近的， 并且不是會(huì)產(chǎn)生干擾或被替換過的陳舊信息。一個(gè)應(yīng)用得較廣 泛的方法是添加一個(gè)每發(fā)送一次信息數(shù)值就加一的計(jì)數(shù)器。

5 其他問題

5.1 能量供應(yīng)問題

所有的 BAN 設(shè)備由于數(shù)據(jù)收集、加工和傳輸都會(huì)對(duì)能 量來源有所要求，合適的能量供應(yīng)就成了最重要的問題。大多 數(shù) BAN 設(shè)備是由電池驅(qū)動(dòng)的，但是單設(shè)備植入人體內(nèi)時(shí)，電 池是不可能被替換的。因此，類似于遠(yuǎn)程電池充電的技術(shù)就 很重要了。除了許多課題正在研究的能量采集器的方法，MIT 的研究者們最近報(bào)道對(duì)電子電力設(shè)備通過利用易消散的波 [10] 進(jìn)行短距離無線能量傳輸是可以實(shí)現(xiàn)的。

5.2 標(biāo)準(zhǔn)化

有許多科學(xué)家正致力于研究互用性臺(tái)式機(jī)遠(yuǎn)距離醫(yī)學(xué)系 統(tǒng)和床邊設(shè)備，例如 Health Level 7 和 ISO/IEEE11073 標(biāo)準(zhǔn) [11]。 然而，在保護(hù)用戶隱私的前提下，使用 BAN 的智能監(jiān)控和治 療系統(tǒng)要求適用于非固定的環(huán)境，并且可以提供醫(yī)療保健點(diǎn)而 不用考慮用戶位置的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)則。在應(yīng)用或領(lǐng)域級(jí)別的互用性 協(xié)議，例如抽樣率，數(shù)據(jù)精度，連接 / 斷開連接，設(shè)備說明書 以及術(shù)語，都應(yīng)該制定標(biāo)準(zhǔn)化的用戶界面。

6 結(jié) 語

人體局域網(wǎng)（BAN）是一個(gè)非常有前景的技術(shù)，可以預(yù) 見，它會(huì)在下一代醫(yī)療保健系統(tǒng)和娛樂領(lǐng)域引起一場(chǎng)革命。但 與此同時(shí)，它也在可測(cè)量性、能源效率、天線設(shè)計(jì)、服務(wù)質(zhì)量、 共存、減輕干擾及安全隱私等方面給我們帶來了問題和挑戰(zhàn)。 隨著時(shí)間的推進(jìn)，學(xué)術(shù)研究將不斷深入，這些問題在日后都 會(huì)一一解決，而我們也會(huì)享受到人體局域網(wǎng)帶給我們的便利。