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[嵌入式]2. 无线身域网：架构和通信

$\qquad$ 无线身域网(Wireless Body Area Networks, WBANs)在塑造当今医疗系统方面发挥着至关重要的作用。本文介绍了一个WBAN和远程医疗监控系统的完整生态系统，包括它的四层架构和每一层数据传输的特征和协议，其中的技术和进展大致反映了2018年的水平。

$\qquad$ 本文主要参考了文献[1]，内容组织如下：

无线身域网
WBAN架构
WBANs中的数据传输

I. 无线身域网

$\qquad$ 一个无线身域网是由一组无线生物传感器节点组成的网络，这些节点可以是可穿戴设备、医疗植入物、纳米节点、等等，它们通过一个星形或多跳拓扑相互连接。它们通常放置在人体上、植入体内、抑或直接吞咽/注射至体内，目的是监测生命体征和生理信号，以免中断患者的日常生活。这些生理信号包括但不限于心电图(ECG)、脑电图(EEG)、皮肤电反应(GSR)、血流、血糖水平、血压、以及血氧水平。随着纳米技术的出现，由WBANs引出的一个自然发展是纳米健康系统，它由能够执行简单任务的纳米传感器组成，如计算、传感、驱动、通信、以及存储。因此，一个WBAN的完整生态系统包括了体内纳米节点和远程医疗监控系统，如图1所示。

图1. 一个由WBAN和远程医疗系统组成的完整生态系统

II. WBAN架构

$\qquad$ 图1展示了一个WBAN的完整架构，包括体内、体上、以及体外通信。体内通信包括植入物和放置在人体内的纳米器件；体上通信涉及放置在身体上的设备，如可穿戴设备和用于ECG、EEG、血糖和血压监测的其它传感器；体外任何设备的交互都被归类为体外通信。具体而言，它将一个WBAN的通信分为四层(four tiers)：

在层-1 (tier-1)中，发送方和接收方都位于人体内（通信链路标有1和2）。
层-2 (tier-2)包括至少一个通信设备位于人体内的情况（通信链路标有3）。
此外，层-3 (tier-3)被分类为至少有一个通信设备为体外设备（通信链路标有4）。
最后，网关之外的所有通信都被归为层-4 (tier-4)（通信链路标有5或以上数字）。

$\qquad$ 对于出现在图1中的实体，可定义如下：

纳米器件(Nano-devices)：纳米器件是医疗生态系统中最小的实体之一，能够在纳米级执行非常基本的功能，如计算、数据存储、传感、驱动、以及通信。
纳米链路(Nano-links)：它们是纳米器件和纳米-微米接口之间的通信链路。
纳米-微米接口(Nano-micro Interface)：该接口将人体内的纳米器件连接到一个sink-节点，该sink-节点最终将它们连接到体外设备。
植入物(Implant)：这是一种植入人体内的医疗设备，用于监测某些疾病、生命体征、甚至生物识别。
Sink-节点(Sink Node)：sink-节点就像WBANs中的一个数据中心，从不同的体内器件收集数据，并将其转发到医疗服务器，反之亦然。
体上传感器(On-body Sensors)：这包括放置在人体皮肤或衣服内的不同传感器，用于测量和监测不同的生命体征，如ECG、EEG、血压、血糖、血氧水平。
网关(Gateway)：这表示用于连接WBAN和医疗服务器的网关设备。它可以是智能手机或任何其他设备，例如使用3G/4G等直接连接到基站的计算机或物联网(IoT)设备。
接入点(Access Point)：这代表一个蜂窝基站或WiFi接入点，用于将传感器的流量路由到医疗服务器。
医疗服务器(Medical Server)：这是一个数据库，存储传感器的所有信息，以便进一步采取行动和分析数据。它可以包括实时监测生命体征和虚拟诊所，在虚拟诊所中，患者和医生可以在线连接，并就可能危及生命的情况向医生或直系亲属发出紧急通知。

III. WBANs中的数据传输

$\qquad$ 图1将远程医疗监控系统的生态系统分为了四层，每一层都有自己的协议、数据速率、以及通信范围。下面我们来了解每一层的通信协议。

层-1通信(Tier-1 Communications)：层-1通信定义为体内通信，即发送方和接收方都驻留在一个人的体内。例子包括一个人体内的纳米器件和纳米-微米接口之间的通信。图1中标记为数字1和2的通信链路位于该层。该层通信可分为两类。一类是经典通信(classical communications)，它可以通过将现有的通用无线通信模式缩小到纳米级来实现。另一类是利用分子编码、传输、以及接收信息的生物通信(biological communications)，又称为分子通信(molecular communications)。这些种类如图1中所示。这一层没有标准的媒介访问控制(Medium Access Control, MAC)层协议。
$\qquad$
进一步，其中的经典通信可分为三类：声波-超声波(acoustic ultrasonic)通信、纳米机械(nano-mechanical)通信、太赫兹频率的电磁(electromagnetic)通信。超声波频率下的声波可由介质（即人体组织）中的微小压力变化来产生。数据速率取决于周围组织的特性、工作频率、以及纳米器件的特性。Hogg等人观察到数据速率为10⁴比特/秒。纳米机械通信基于发送方和接收方之间的物理接触。电磁通信利用经典的射频传输方法，使用在太赫兹频段工作的纳米级天线。
层-2通信(Tier-2 Communications)：层-2通信表达了体上和体内设备之间的通信。例如，植入物和放置在人体上的接收器节点之间的通信。图1中标记为数字3的通信链路属于该类别。在这个层次上，在物理层提出了不同的通信范例（见图1）。最常见的是无线射频通信(wireless Radio Frequency communications)和电磁耦合(electromagnetic coupling)。关于射频通信，植入物可以使用三个不同频段，分别定义为：无线医疗遥测服务(Wireless Medical Telemetry Services, WMTS)，未经许可的工业、科学和医疗(Industrial, Scientific, and Medica, lISM)，以及医疗植入物通信服务(Medical Implant Communication Service, MICS)。WMTS中的频带包括608-614、1395-1400和1427-1432 MHz，ISM包括2.4-2.4835 GHz，MICS包括402-405 MHz。另一方面，电磁耦合的工作原理是变压器，其中发射方和接收方通过线圈的磁通量进行耦合。
$\qquad$
其它常见的通信模式包括光学(optical)和超声波(ultrasound)通信。文献中的一些工作也提出将人体作为这个层次的一个沟通渠道。
层-3通信(Tier-3 Communications)：层-3通信表达了体上和体外设备之间的通信。例如，一个sink-节点或体上传感器与网关或智能手机之间的通信。图1中标记为数字4的通信链路属于这一类。在物理层，主要用射频进行通信。MAC层协议在这一层上定义得很好。为此，通常使用图1中介绍的协议，例如：近场通信(NFC) (13.56 MHz)、蓝牙低能量(Bluetooth LE) (2.4 GHz)、Zigbee (2.4 GHz)、以及WiFi Direct (2.4 GHz)。
$\qquad$
一些工作建议用人体作为通信通道，将导电的身体作为体上设备和网关之间的通信媒介，但前提是网关要物理地接触身体。这一层的最新标准是IEEE 802.15.6，旨在为在一个人的周边区域之内提供可靠的低功耗通信。
层-4通信(Tier-4 Communications)：该层包括网关之外的所有通信。通信协议从物理层到顶层都有很好的定义。图1中标记为5及以上数字的通信链路属于此类。在该层，BANs有很多与医疗服务器连接的选项。网关可以通过3G/4G或WiFi链路，甚至通过为无线传感器网络定义的其它通信协议连接到医疗服务器，如SigFox、Low Power Wide Area Network (LPWAN)、IEEE 802.16。

$\qquad$ 最后，层-3和层-4的通信技术已经建立并在大量文献中进行了广泛讨论，进一步了解请参见本文参考[1]中所列出的文献 [10][14]。

参考文献

[1] Muhammad Usman, Muhammad Rizwan Asghar, Imran Shafique Ansari, Marwa Qaraqe, `` Security in Wireless Body Area Networks: From In-Body to Off-Body Communications,‘’ IEEE Access, 2018