0 引 言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，人口老齡化正成為一個越來 越嚴重的問題。他們指出，世界老齡人口數(shù)目將會在 2025 年 翻倍，也就是說，到 2025 年，老年人口比例將達到 22%。與 此同時，生活習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)已過度負荷的醫(yī)保所能帶給我們的服 務質量必將呈現(xiàn)下滑的趨勢，而引入對現(xiàn)行醫(yī)療保障體系能有 驅動型提高的新興技術，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)絡結構，是對重量輕、 體積小、超低功耗以及可以實現(xiàn)智能監(jiān)控的可穿戴傳感器的 進一步改造和實現(xiàn)。在人體局域網(wǎng)中，傳感器持續(xù)不斷地監(jiān) 控人體的生理活動和動作，例如健康狀況和情感模式。人體 局域網(wǎng)需要相應的協(xié)議和算法來達到這些功能。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（WSN）[2] 而設計， 但它們對于人體局域網(wǎng)特殊的功能和應用需求并不合適。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 通信體系結構

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

圖 1 所示為 BAN 通信體系的結構圖。

圖 1 給出了基于 BAN 的健康監(jiān)視系統(tǒng)的大致結構。ECG （心電圖）、EEG（腦電圖）、EMG（肌電圖）、動作傳感器和血 壓傳感器把數(shù)據(jù)發(fā)送到鄰近的個人服務設備上，然后，通過 藍牙 / 無線局域網(wǎng)的連接將這些數(shù)據(jù)流送到遙遠的醫(yī)生家中 進行實時診斷，或者送到一個醫(yī)療數(shù)據(jù)庫進行記錄保存，再 或者送到一個出現(xiàn)了緊急狀況的相關設備上。通常，我們把 BAN 的通信體系結構分成 ：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）三個部 分。這些部分囊括了從低級設計到高級設計的大多數(shù)方面并且 促成了基于組件且能應用于多方面的高效 BAN 系統(tǒng)。通過定 制設計不同部分的成本、覆蓋范圍、效率、帶寬和服務質量， 根據(jù)特殊應用的上下文環(huán)境和市場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)進行無線電通信，這一部分可以被進一步劃分為 ：（1）人體和傳感器之 間的通信；（2）人體傳感器和便攜式個人服務設備之間的通信。 由于和人體傳感器以及 BANs 會建立直接的關系，BAN 的內(nèi) 部通信顯得至關重要。進一步說，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計一個帶有服務質量條款的 有效的媒體訪問控制協(xié)議成為一個挑戰(zhàn)性的問題。

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

 而另一方面，CodeBlue 規(guī)定傳感器不通過個人服務設備 而直接與接入點相連，如圖 2（b）所示。與之前兩種途徑相比， 圖 2（c）呈現(xiàn)了利用一個星形拓撲的典型結構。在這個結構中， 大多數(shù)傳感器將人體信號傳送到個人服務設備上，然后個人服 務設備依次將加工過的生理數(shù)據(jù)傳送到一個接入點上。

圖 2（d）和圖 2（e）呈現(xiàn)了相對于二級 BAN 的優(yōu)點。在 第一級中，大多數(shù)有線或者無線的傳感器連接到了一個單一中 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人服務設備 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 高級傳感器通過考慮特殊生物醫(yī)學通信特點來對數(shù)據(jù)進行加 工。例如，文獻 [6] 中采用了一個兩級基礎的 BAN 內(nèi)部通信 結構，一個節(jié)點從傳感器接收型號，并且把它傳送到另一個連 接在圖 2（e）中所示的基站的節(jié)點上。顯而易見，從采納圖 2（a） 到采納圖 2（e）的系統(tǒng)復雜性增加了

2.2 BAN 相互通信

相對于 WSNs 系統(tǒng)通常是自動運行的，BAN 系統(tǒng)很少 單獨工作。在這部分，我們將“BAN 相互通信”定義為個人 服務設備和一個或多個接入點（APs）之間的聯(lián)系。APs 可以 作為基礎設施部署，或者是策略性地布置在為緊急情況而設 置的動態(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)絡互相聯(lián)系，比 如因特網(wǎng)和細胞網(wǎng)絡。

我們把 BAN 相互通信模范通常細分為兩個子目錄—— 基于基礎設施的結構和基于特殊情況的結構。基于基礎設施 的結構可以提供更大的帶寬，更集中的控制和更高的靈活性， 相對而言，基于特殊情況的結構具有當遇到動態(tài)環(huán)境可以快 速調(diào)度的能力，例如遇到醫(yī)學的緊急情況需要應對或者是在災 區(qū)發(fā)生突發(fā)情況的事件下。

2.3 BAN 外部通信

相對于第二層的 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)的使用而設計的。為了連接 BAN 相互通信與 BAN 外部通信，可以使用一個網(wǎng)間連接裝置比如 PDA 來創(chuàng)建一個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胞網(wǎng)絡或者因 特網(wǎng)來授權個人權威醫(yī)療保健員（醫(yī)生或護士）來獲取偏僻地 區(qū)病人的醫(yī)保信息從而進一步提高 E-healthcare 系統(tǒng)的應用和 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部分。這 個數(shù)據(jù)庫主要是存儲用戶的檔案和病史。根據(jù)用戶的服務優(yōu)先 權和醫(yī)生的使用權，醫(yī)生可以在需要時獲得用戶的信息。與此 同時，基于這份數(shù)據(jù)的自動化通知可以通過各種通訊方式發(fā) 送給病人的親屬。

對于 BAN 外部通信層的設計是根據(jù)不同的應用所變化 的，并且應該要根據(jù)用戶特殊的需求隨時更新。例如，如果 根據(jù)時刻更新所傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫的人體信號發(fā)現(xiàn)了任何異常，一 個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)生或者是其他護理者可以通過網(wǎng)絡視頻會議與 病人進行交流。事實上，醫(yī)生根據(jù)視頻交流和病人存儲在數(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)信息進行對 病人的遠距離診斷是有可能實現(xiàn)的。

對于旅游等移動的病人，如果醫(yī)療警報被觸發(fā)，則他有 可能正經(jīng)歷生死攸關的境況。通過使用以上結構的 BAN 通信 系統(tǒng)的幫助，應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 的應用領域

不斷發(fā)展的 BAN 也有了越來越廣闊的應用領域，它與其 他無線技術相接觸，例如 WSNs，RFID 技術 [7]，Zigbee[8]，藍牙， WiBree[9]，視頻監(jiān)控系統(tǒng)，WPAN，WLAN，因特網(wǎng)和細胞網(wǎng)絡。 在這種情況下，更多自動和智能應用將會被視為提高人類生活水平的關鍵。有諸多應用從 BAN 和日新月異的無線技術的結 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的信息交流容易 出現(xiàn)安全問題，分別體現(xiàn)在以下四個方面 ：數(shù)據(jù)保密性，數(shù) 據(jù)權威性，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?格屬于隱私范圍并且只能被授權者獲取，比如照顧病人的醫(yī)生。 通常是通過對稱或者不對稱的密鑰來進行加密。

（2）數(shù)據(jù)權威性 ：數(shù)據(jù)權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。為了達到這個目的，信息認證碼通過 一個分享的密鑰進行計算。

（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，信息認證碼可以對其進行檢查。

（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， 并且不是會產(chǎn)生干擾或被替換過的陳舊信息。一個應用得較廣 泛的方法是添加一個每發(fā)送一次信息數(shù)值就加一的計數(shù)器。

5 其他問題

5.1 能量供應問題

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

5.2 標準化

有許多科學家正致力于研究互用性臺式機遠距離醫(yī)學系 統(tǒng)和床邊設備，例如 Health Level 7 和 ISO/IEEE11073 標準 [11]。 然而，在保護用戶隱私的前提下，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)療保健點而 不用考慮用戶位置的標準化規(guī)則。在應用或領域級別的互用性 協(xié)議，例如抽樣率，數(shù)據(jù)精度，連接 / 斷開連接，設備說明書 以及術語，都應該制定標準化的用戶界面。

6 結 語

人體局域網(wǎng)（BAN）是一個非常有前景的技術，可以預 見，它會在下一代醫(yī)療保健系統(tǒng)和娛樂領域引起一場革命。但 與此同時，它也在可測量性、能源效率、天線設計、服務質量、 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)。 隨著時間的推進，學術研究將不斷深入，這些問題在日后都 會一一解決，而我們也會享受到人體局域網(wǎng)帶給我們的便利。