体域医学传感器网络的设计及其QoS性能分析

本文首先提出了医学无线传感器网络的体系结构， 并分析 其特点 和 需 求 。 在 此 基 础 上 ， 提 出 基 于 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 的 体 域 医学传感器网络（ Ｂｏｄｙ Ａｒｅａ－ ＭＷＳＮ， ＢＡ－ ＭＷＳＮ） 。针对特定需 求， 研究了该 ＢＡ－ ＭＷＳＮ 的吞吐量、丢 包 率 和 传 输 延 迟 等 ＱｏＳ 性能， 并分析网络配置、负载以及 ＭＡＣ 层参数对上述各项性能 的影响。
１．东华大学 信息科学与技术学院， 上海 ２０１６２０ ２．东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心， 上海 ２０１６２０ ３．华东师范大学 信息科学与技术学院， 上海 ２０００６２ １．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｄｏｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０， Ｃｈｉｎａ ２．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｄｉｇｉｔｉｚｅｄ Ｔｅｘｔｉｌｅ ＆ Ｆａｓｈｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｄｏｎｇｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０， Ｃｈｉｎａ ３．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００６２， Ｃｈｉｎａ Ｅ－ ｍａｉｌ： ｙｓｄｉｎｇ＠ｄｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
体域 ＭＷＳＮｓ 的范围为人体区域， 是 ＭＷＳＮｓ 的最基本组 成部分。体域 ＭＷＳＮｓ 由部署在人体上的各种医学传感器节点 和中心节点组成， 传感器负责采集各种人体生理信号， 并通过 短 距 离 无 线 射 频 发 送 到 中 心 节 点 。 中 心 节 点 处 理 、存 储 这 些 数 据， 通过无线通信方式把数据传给相关医护人员工作站上进行 进一步处理诊断。网络一般采用星型拓扑， 数据流量大都为上 行， 即， 发送到中心节点。
１ 引言
无线传感器网络（ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ＷＳＮｓ） 在医疗 健 康 领 域 具 有 广 泛 的 应 用 前 景 ， 在 疾 病 监 护 、灾 害 中 伤 员 的 应 急 救 护 、远 程 医 疗 、家 庭 护 理 等 多 种 场 合 将 发 挥 重 要 的 作 用［１］。 尽管相关的无线医学监护设备已逐渐进入实用， 如无线心电图 机 ＥＫＧｓ［２］、血 氧 计 、血 压 仪 等 ， 但 大 多 使 用 蓝 牙 、无 线 医 学 远 程 服 务 频 带 或 ＩＥＥＥ ８０２．１１， 存 在 设 备 贵 、代 价 高 和 功 率 大 等 问 题［３］。 低 功 耗 的 芯 片 级 射 频 技 术 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 无 线 个 域 网［４］ （ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ， ＷＰＡＮ） 标 准 可 以 有 效 解 决 上述问题， 为建立人体区域的可穿戴的医学传感器网络提供无 线传输平台。
作者简介： 吴怡之（ １９６９－ ） ， 女， 讲师， 博士研究生， 从事可穿戴系统、信息融合与智能计算等研究； 丁永生（ １９６７－ ） ， 男， 博士， 教授， 博 士 生 导 师 ， 从 事智能系统、网络智能、ＤＮＡ 计算、人工免疫系统、生物网络结构、数字化纺织服装等研究。
吴怡之， 丁Ｃｏ永ｍｐ生ｕｔ，ｅ许ｒ Ｅ红ｎ安ｇｉｎ，ｅ等ｅｒｉ：ｎ体ｇ 域ａｎ医ｄ 学Ａｐ传ｐｌ感ｉｃａ器ｔｉｏ网ｎｓ络计的算设机计工及程其与Ｑ应ｏＳ用性能分析
ＷＵ Ｙｉ－ ｚｈｉ， ＤＩＮＧ Ｙｏｎｇ－ ｓｈｅｎｇ， ＸＵ Ｈｏｎｇ－ ａｎ， ｅｔ ａｌ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ＱｏＳ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｂｏｄｙ ａｒ ｅａ ｍｅｄｉｃａｌ ｗｉｒ ｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒ ｋｓ． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ２００７， ４３（ １４） ： １２４－ １２６．
２．２ 星型医学传感器网络
一 般 情 况 下 ， ＭＷＳＮｓ 按 照 其 范 围 可 以 分 为 三 层 ， 体 域 ＭＷＳＮｓ、局域 ＭＷＳＮｓ 和广域 ＭＷＳＮｓ， 如图 １ 所示。
可穿戴性能。其网络传输特点总结如下。 （ １） 数据传输速率要求： 用于医学检测的传感器种类繁多，
数据采集频率从不到 １ Ｈｚ 到几千 Ｈｚ 变化范围很广。人体温度 可以若 干 分 钟 检 测 一 次 ， 心 电 图 采 集 频 率 一 般 为 ２００ Ｈｚ， 而 用 于癫痫病监测或康复治疗的脑电或肌电信号采集频率可达 １ ０００ Ｈｚ、２ ０００ Ｈｚ。另一方面， 不同的医学应用， 如慢性疾病的 长 期 监 护 和 术 后 病 人 护 理 、急 救 ， 对 各 种 医 学 检 测 所 需 的 数 据 采 集 间 隔 、分 辨 率 都 有 很 大 不 同 。
ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 支持两种拓扑结构： 星型和对等网络。适用 于医学传感器网络的星型拓扑网络由一个网络协调器和若干 设备组成， 并有两种通信方式： 信标方式和非信标方式。信标方 式 的 优 点 是 网 络 协 调 者 可 以 在 需 要 的 时 候 任 意 和 节 点 通 信 。在 信标方式下， 通信被网络协调器控制， 网络协调器定时广播信 标， 通过接收信标， 设备在启动时加入到网络， 并在传输中进行 同步。ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 使用两种信道 接 入 机 制 ， 即 无 时 隙 ＣＳ－ ＭＡ ／ＣＡ 和时隙 ＣＳＭＡ ／ＣＡ。无信标的网络使用前者， 每次设备 欲发送数据， 都先等待一个随机的退避期， 之后如果发现信道 空闲， 则发送数据， 否则， 再经过一个退避期后继续尝试。信标 使能的网络使用后者， 退避时隙与信标的开始对齐。每次设备 发送数据， 首先定位下一时隙的开始， 等待随机个数的退避时 隙后， 信道忙则继续退避， 否则发送数据。
（ ２） 可靠性要求： 用于医学诊疗及监护的数据信息事关病 人生命健康其数据的重 要 性 不 言 而 喻 ， 体 域 ＭＷＳＮｓ 需 要 按 照 特 定 应 用 的 需 求 保 证 数 据 的 可 达 性 。用 于 病 人 连 续 监 护 的 数 据 允许一定的丢失， 不会对病情的判断造成很大影响， 但绝对不 可超过一定范围， 否则后果非常严重。
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的范围内传输数据。该协议详细规范了物理层（ ＰＨＹ： Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ） 与 媒 体 接 入 层 （ ＭＡＣ： Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｕｂ ｌａｙ－ ｅｒ） ， 具有如下优点： 方便的设备入网、超低功耗、简单灵 活 的 协 议 栈 和 较 高 的 可 靠 性 等 ， 使 得 该 协 议 在 ＷＳＮｓ 中 受 到 普 遍 重 视。该协议的 ２．４ ＧＨｚ 频带包括 １６ 个信道， 每个信道的速率都 为 ２５０ ｋｂｐｓ， 较适合医学传感器网络数据传送速率的要求。
本文主要研究面向病人医学数据采集传输的体域医学无 线传感器网络（ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ， ＭＷＳＮｓ） ， 在 人体范围内， 通过简单的低功耗射频技术传输各种医学传感器
数据。目前， ＭＷＳＮｓ 的研究在国外开展得较多， 但在我国开展 不多。传感器网络在医学上的应用目前大多在体域 ＭＷＳＮｓ 的 范 畴 ， 例 如 可 穿 戴 医 学 传 感 器［５－７］， 医 院 或 居 家 常 活 动 状 态 下 的 病 人 监 护 ［８］。
（ ３） 传输延迟要求： 与数据的可靠性要求相似， 一般的医学 监护允许信号传输带有一定的延时但需要限制在一定的范围 内， 否则同样带来严重后果， 因此可以称其数据为软实时数据。 传输延迟一般要求在几百毫秒以内。
（ ４） 移 动 性 要 求 ： 在 局 域 ＭＷＳＮｓ 和 广 域 ＭＷＳＮｓ 中 ， 节 点 带有很大的移动性。而 在 体 域 ＭＷＳＮｓ 中 ， 节 点 一 般 通 过 服 装 或其他佩戴物部署在人体各个医学检查部位上， 忽略由于人体 活动带来的衣物与人体间相对位置的微小改变， 几乎不需考虑 节点的移动性。
２ 基于 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 的星型医学传感器网络 ２．１ ＩＥＥＥ８０２．１５．４ 协议
ＩＥＥＥ８０２．１５．４ 支 持 低 功 耗 设 备 以 较 低 的 速 率 在 ０ ｍ－ １０ ｍ
基金项目： 国家教育部新世纪人才支持计划 （ ｔｈｅ Ｎｅｗ Ｃｅｎｔｕｒｙ Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ Ｔａｌｅｎｔ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ＭＯＥ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ｕｎｄｅｒ Ｇｒａｎｔ Ｎｏ．ＮＣＥＴ－ ０４－ ４１５） ； 教育部科技创新工程重大项目培育资金项目； 上海市国际科技合作基金项目（ Ｎｏ．０６１３０７０４１） 。
（ ５） 功耗要求： 功耗在很多 ＷＳＮｓ 中， 是一个首先要考虑的 问 题 。 由 于 人 体 的 移 动 性 ， 体 域 ＭＷＳＮｓ 节 点 只 能 采 用 电 池 供电。
综 上 所 述 ， 不 同 的 应 用 和 信 号 性 质 ， 对 ＭＷＳＮｓ 传 输 速 率 以及对实时性和可达性等性能方面的要求都存在较大的变化 范围， 但 ＭＷＳＮｓ 由于其治病 救 人 的 需要深入研究其网络性能， 以便保障系统各项性能。同 时也需考虑尽量降低系统功耗， 提高其实用性。
摘 要： 提出医学无线传感器网络（ ＭＷＳＮｓ） 的三层体系结构， 并重点分析体域医学传感器网络的组成结构和网络传输需求。设计 了基于 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 无 线 个 域 网 协 议 的 体 域 医 学 传 感 器 网 络 （ ＢＡ－ ＭＷＳＮ） ， 其 拓 扑 结 构 采 用 星 型 ， ＭＡＣ 采 用 时 隙 ＣＳＭＡ ／ＣＡ 机 制。通过网络仿真评估了该 ＢＡ－ ＭＷＳＮ 的 ＱｏＳ 性能， 分析表明： 该网 络 能 满 足 体 域 ＭＷＳＮｓ 的 网 络 传 输 要 求 ； 设 置 合 理 的 节 点 数 量 、网 络 负 载 和 使 用 长 帧 可 以 获 得 较 高 的 网 络 利 用 率 和 可 靠 性 。 关键词： 无线传感器网络； ＩＥＥＥ ８０２．１５．４； 体域网络； ＱｏＳ 文章编号： １００２－ ８３３１（ ２００７） １４－ ０１２４－ ０３ 文献标识码： Ａ 中图分类号： ＴＰ３９３