无线体域网

摘 要

随着通信技术的发展，人体周围的无线通信设备如手机、笔记本等无线设备越来越多。为更有效地在人体周围的无线设备间实现计算资源和传输带宽的共享，无线体域网的概念开始被提出。同时，随着生物电子学的进一步发展，应用于医学领域的无线体域网技术也开始被提出。该类应用旨在通过人体周围的无线设备检测生理信息并把这些生理信息传输到远程监控设备。IEEE802.15 TG6 工作组在充分考虑上述两种主要应用领域技术特点的基础上提出了无线体域网的规范。无线体域网特殊的应用场景为在体域网中应用传统通信技术带来了新的考验。本文以无线体域环境频谱检测算法作为主轴，对体域网中包括传输信道建模、单点频谱检测算法设计与性能分析以及各无线传输设备的硬件实现等问题进行广泛而深入的讨论。 无线通信技术的很多研究都是从通信信道建模开始的，无线体域网作为无线通信技术的重要分支也不例外。本文将先根据已有的研究成果对无线体域网中体内人体信道和体外无线信道的建模进行讨论。但是，由于体域网中信道建模受到人体或者人体不同部位运动的影响，所以体域网中的信道建模存在很多不确定性。信道模型的不确定性就需要采用有效感知技术对信道环境的状况进行动态感知以提高算法的性能。本文主要对信道环境感知中的单点频谱检测算法进行讨论。这些讨论先根据无线体域网

信道模型设计出体域网内的频谱检测算法，再对比自由空间与无线体域网频谱检测算法,找出无线体域网中存在的制约算法性能的因素，为更有效的实现体域网中的频谱检测算法提供指导。

最后,本文将根据无线体域网中不同传输节点的功能差异，对这些节点的硬件实现方案进行具体讨论。在结论部分，本文将对取得的成果和未尽之处进行讨论，便于后续学者对该领域的深入研究。

关键字： 无线体域网，人体信道，频谱检测，协作频谱检测, 物理层实现。

目 录

摘要 ................................................................................................................................................I ABSTRACT ................................................................................................................................. IV 目 录 ............................................................................................................................................. V 英文缩语表 ................................................................................................................................. VII 表格目录 ................................................................................................................................... VIII 插目录 ......................................................................................................................................... IX 第一章 绪 论 .............................................................................................................................. 1 1.1. 无线体域网的发展现状 ..................................................................................................... 1 1.2. 无线体域网分类 ................................................................................................................. 2 1.3. 无线体域网的传输技术和工作频段 ................................................................................. 3 1.4. 本课题的研究意义 ............................................................................................................. 4 1.5. 本课题的研究内容 ............................................................................................................. 5 1.6. 本文的组织结构 ................................................................................................................. 6 第二章无线体域网信道建模 ........................................................................................................ 7 2.1 引言 ...................................................................................................................................... 7 2.2 无线体域网体表传输信道模型 ........................................................................................... 8 2.2.1 基于路径损耗的信道模型 ................................................................................................ 8 2.2.2 基于阴影效应的信道模型 ................................................................................................ 8 2.2.3 基于信号衰落的信道模型 ................................................................................................ 9 2.3 无线体域网体内信道建模 .................................................................................................... 9 2.3.1 信道建模思路 ..................................................................................................................... 9 2.3.2 信道特性分析 ................................................................................................................. 13 2.4 信道建模混合使用模型 ...................................................................................................... 16 2.5 信道模型的进一步讨论 ..................................................................................................... 21 2.6 本章小结 .............................................................................................................................. 22 第三章 频谱感知算法介绍 ........................................................................................................ 23 3.1. 引言 .................................................................................................................................... 23 3.2. 感知无线电发展 ............................................................................................................... 23 3.3. 感知无线电的关键技术 ................................................................................................... 24 3.4. 基本检测算法 ................................................................................................................... 25 3.4.1. 匹配滤波 ........................................................................................................................ 25 3.4.2. 能量检测 ........................................................................................................................ 25 3.4.3. 循环平稳检测 ................................................................................................................. 26 3.5. 本章小结............................................................................................................................. 26 第四章无线体域网频谱检测算法性能分析 ...............................................................................28 4.1. 无线体域网中采用频谱检测算法的必要性 ................................................................... 28 4.2. 无线体域网中采用协作式频谱检测的必要性 ............................................................... 29 4.3. 基于人体信道的能量检测算法设计和分析 ................................................................... 29 4.3.1. 基于人体信道的能量检测算法仿真 ............................................................................ 31 4.3.2. 基于混合信道的能量检测算法设计和分析 ................................................................ 35 4.4. 改善体域网内频谱检测算法的进一步考虑 ................................................................... 39 4.5. 本章小结.............................................................................................................................. 40 第五章无线体域网算法实现 ......................................................................................................41

5.1. 无线体域网频谱检测算法的实现场景 ........................................................................... 41 5.1.1 无线体域网频谱检测场景介绍 .................................................................................... 41 5.1.2 无线体域网传输节点放置讨论 .................................................................................... 43 5.2. 无线体域网频谱检测算法实现 ....................................................................................... 44 5.3. 无线体域网网内基于人体信道的数据传输方案设计 ................................................... 46 5.4. 无线体域网传输节点设计 ............................................................................................... 50 5.4.1. 控制节点 ........................................................................................................................ 50 5.4.2. 边缘节点和中继节点 .................................................................................................... 56 5.5. 本章小结............................................................................................................................. 58 第六章 总 结 ............................................................................................................................ 59 6.1. 本文所做的工作 ............................................................................................................... 59 6.2. 下一步工作展望 ............................................................................................................. 60 参考文献 ...................................................................................................................................... 61 致谢 ............................................................................................................................................... 64 攻读硕士学位期间发表或录用的学术论文和专利 ................................................................... 65

英文缩略语表

ARM Advanced RICS Machines 高级精简指令处理器 BAN Body Area Networks 体域网

CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件 ECG Electro Cardio Gram 心电图 EEG Electro Encephalo Gram 脑电图

FCC Federal Communication Committee 联邦通信委员会 FDTD Finite Difference Time Domain 时域有限差分法 HBC Human Body Communication 人体通信 IBC Intra-Body Communication 体内通信

ISM Industry Science and Medical frequency 工业、科学和医学频段 JTAG Join Test Action Group 边界测试协议 LOS Length Of Sight 视距传输 LU Licensed User 授权用户

MICS Medical Implant Communication Service 医学植入通信服务频段 PAN Personal Area Networks 个域网 PCB Printed Circuit Board 印刷电路板 PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制 QOS Quality of Service 服务质量 RC Resistor and capacitor 电阻电容 RF Radio Frequency 射频

SAR Special Absorb Ratio 特定吸收率 SDR Software Defined Radio 软件无线电

SG-BAN Study Group Body Area Networks 体域网工作组 SNR Signal Noise Ratio 信噪比 TG Task Group 工作组

WBAN Wireless Body Area Networks 无线体域网

WMTS Wireless Medical Telemetry Service 无线医学遥感频段

表格目录

表2-1 人体不同组织电阻率测试值 ........................... 10 表5-1 数据处理板主要接口资源 ............................. 52 表5-2 数据处理板计算资源 ................................. 53 表5-3 数据传输板系统计算资源 ............................. 55 表5-4 数据传输板主要接口资源 ............................. 55 表5-5 中继节点和边缘节点系统计算资源...................... 57 表5-6 数据传输板主要接口资源 ............................. 57

插图目录

图2-1体域网数据传输抽象图 ......................................... 10 图2-2人体简化传输模型 ............................................. 11 图2-3 传输模型的等效RC电路 ....................................... 11

图2-4 基于分布式RC电路的等效人体模型 ............................. 12 图2-5 分布式RC人体模型的验证环境 ................................. 13

图2-6给定信号频率下，人体信道幅度响应随着信道长度的变化 ........... 14 图2-7给定信道长度时，人体幅度响应随着频率的变化关系 ............... 15 图2-8电极与人体接触面积与信号频率的关系 ........................... 16 图2-9无线体域网节点相对位置变化图 ................................. 17

图2-10人体信道传输频率在100MHz与无线2.4G天线传输特性对比 ........ 19 图3-1感知无线电基本感知周期示意图 ................................. 24 图3-2能量谱检测框图 ............................................... 25 图4-1能量检测算法图 ............................................... 31 图4-2频谱检测场景图 ............................................... 32

图4-3基于理想信道的能量检测检测概率和检测时间的关系 ............... 32

图4-4基于人体信道的能量检测，人体信道长度为0.15m，调制频率为131MHz33

图4-5信号频率为131MHz时，不同信号能量值时，频谱检测概率随着人体信道长度的变系 .......... 34

图 4-6 人体信道长度为 0.15m 时，不同信号能量，频谱检测概率随信号频率的变 化 ............................................................. 35

图4-7 理想信道情况下，信号检测概率随着人体信道长度的变化 .......... 36 图4-8无线信道利用率20%时，频谱检测概率随着人体信道长度的变化 ..... 36 图 4-9 在不同混合信道变化速率,人体信道长为 0.3m 时频谱检测概率随着信号能 量的变化关系 ................................................... 37

图4-10在不同混合信道变化速率,人体信道长为0.15m时,频谱检测概率随着信号 能量变化关系 ................................................... 38

图5-1无线体域网中所有节点分布场景 ................................. 41 图5-2无线体域网频谱感知粗检测方法流程图 ........................... 44 图5-3无线体域网频谱感知细检测方法流程图 ........................... 45 图5-4无线体域网内信道感知参数传输线路图 ........................... 46 图5-5无线体域网内边缘节点信息发送框图 ............................. 47 图5-6无线体域网数据帧结构 ......................................... 47

图5-7无线体域网中间节点信息处理模块框图 ........................... 48 图5-8无线体域网利用频谱空洞传输数据框图 ........................... 49 图5-9中心控制节点模块处理框图 ..................................... 50 图5-10数据处理板系统结构 .......................................... 52 图5-11中心控制节点数据收发板设计 .................................. 54 图5-12边缘节点和中继节点的系统结构 ................................ 56 图5-13中继节点和边缘节点的板级结构 ................................ 57

第一章 绪 论

1.1. 无线体域网的发展现状

无线通信技术发展极大得改变了人和人之间,人和多媒体设备之间以及人和各种 娱乐服务提供商之间的通信。无线通信技术的迅速发展也为人类提供了遍布世界的通 信网络，使得人们能够时时刻刻的享受到网络服务。正是在无线通信技术高速发展的 背景下，无线体域网的概念开始被提出。无线体域网中的技术主要被用于改善传统医 学治疗手段、方便患者或者残疾人员接收医疗监护和为电子消费者提供更便捷、更高 速率、更好的服务质量的娱乐体验[1]。但是在体域网概念被提出的初期，不同国家和 地区的研究机构和企业对该领域的 存在很多差异。为此，2006年11月旨在为无 线体域网领域制定统一规范的IEEE 802.15 SG-BAN正式成立。从此，无线体域网的 很多技术的研究开始朝着统一的概念和标准迈进。

无线体域网技术虽然是无线通信技术的进一步发展和延伸，但是由于无线体域网 中的很多设备主要应用于人体周围使得无线体域网较传统的无线通信有很多独特的 特点：

首先，无线体域网的传输范围小。定位于时时刻刻，无处不在的传统通信技术的 传输范围最大的特点就是广。相比之下，无线体域网定位于将人体周围的无线传输设 备组成网络以便于与外界进行数据交换。因此，无线体域网解决的主要人体周围小范 围的数据传输。

其次，无线体域网传输技术对人体的影响必须被放在很高的位置来考虑[2]。由于 无线体域网中很多的设备或者是植入人体内或者是贴附在人体表面或者是佩带在身 体周围，因此，在采用数据传输技术进行数据传输时，必须在尽可能降低对人体的危 害的前提下进行。

无线体域网本身的特点为传统的无线传输技术在应用于无线体域网时增加新的约 束条件重新分析和设计。随着 802.15 SG-BAN组织的成立和不断发展，无线体域网中 很多关键技术开始被提出来。这些关键技术包括：无线体域网应用场景分类，无线体 域网的应用频段管理[3]，无线体域网信道建模[4]和物理层设计（包括天线设计）等。 在绪论部分将主要对无线体域网关键技术中的应用频段管理和传输技术等进行讨论, 其他关键技术将在后续章节展开。 1.2. 无线体域网分类

无线体域网是由一系列贴附在人体上或者植入人体内的传感器节点组成的网络。 根据这些节点信息采集类型和传输信息内容的不同，无线体域网的应用场景可以分为 医疗监护、伤残辅助和消费娱乐等[5,6]。

无线体域网中重要的应用分类是医疗监护和医学治疗。在该类应用中，无线体域 网中的设备主要是由能检测生命信息功能的传感器组成的。无线体域网内设备采集的 信息包括血压、ECG、EEG、脉搏、葡萄糖浓度和体温等。典型应用是采用这些传感器 来实时的监控医院里病人的状态[7]。通过把贴在人体上的体域网设备，重要的生理信 息和健康数据先被获取，然后被传输到一个医护中心用于对病人的身体状况的监护。 这种应用能够有效的减低医护人员的工作负担并提高管理病患的效率。一些使用体域 网中传感器数据的模型包括家庭的健康监护、老年人监护和身体恢复协助治疗等。 更高级的医学应用可以扩展到医学闭环控制。在这类应用中来自传感器的数据被 传输到控制单元。在控制单元中，医学测量被完成并且测量结果会被传输到执行单元， 由执行单元根据控制中心的命令来执行相应的医学处理操作[8]。上述应用的一个例子 是用于解决患者心率不齐问题而植入人体的自动控制的心脏起搏器。在该控制过程中， 首先，心律控制器利用传感器收集交感神经信号；然后，心律控制器计算出正确的心

跳速率并指导心律调整器；最后，心律调整器将心跳调整到正确的心跳节律。 在伤残辅助领域，无线体域网也有广泛的应用空间。一个比较典型的应用是[7]中 给出的用于避免在社会老龄化中避免老年人的不慎跌倒的频繁发生的设备。该领域的 器件用于在老年人跌倒前及时给出警报以便于老年人有足够的时间来进行准备最终 减轻摔倒对人体的损伤[8]。

无线体域网在消费娱乐领域的应用包括用户接口、无线耳脉、同步的音频和视频、 音频或者视频流传输、视频游戏控制、娱乐数据和传感器等[9]。这些领域中使用的无 线体域网技术不仅能减少有线连接、提高使用的方便性而且还能提供多个人之间资源 共享。

除了应用场景的分类，根据无线体域网的设备位于人体内或者佩带在人体外，无 线体域网可以分为植入人体的或者佩戴在体表的[10]。无线体域网中医学和非医学领 域应用都有采用佩带在人体周围的体域网设备，但是对于植入人体内无线体域网设备 来说主要还是用于医学领域。对佩戴在人体的无线体域网应用来说，美国国家宇航局 曾经提出一种可以穿在人身上的设备来与人体外的检测平台进行数据交换以便于对 宇航员重要的生理信息进行实时检测。对于植入人体内的无线体域网应用来说，一个 比较直接的例子是通过植入人体的无线设备来对特定身体部位的图像或者其他信息 进行采集。植入人体内的无线设备的最大特点就是功耗小，上限为1uW[11]。这类设备 通过微带线或者特别设计的天线与人体外进行数据传输。

1.3. 无线体域网的传输技术和工作频段

无线体域网应用的设备主要的特点是低辐射功率、低功耗、高 QoS、高可靠性、 小尺寸和重量轻等。从低辐射功率的角度看，潜在的能够被用于无线体域网中的传输 技术重要特点是比较短的传输距离。可用于无线体域网内数据传输的潜在技术主要包 括：能够用于比较低频段的低电平无线电波、采用802.15.4标准的Zigbee 技术、采用 802.15.1 标准的蓝牙以及支持 802.15.4a 标准的蓝牙[12]等。虽然看来潜在的可用于无 线体域网中的技术很多，但是在实际系统设计时需要根据不同的应用场景、不同的业 务要求以及不同的无线设备数目等对将采用的技术进行选择。

无线通信顺利开展的要素是传输环境。无线传输环境的重要组成是无线频谱。根

据802.15 SG‐BAN工作组的讨论结果，未来无线体域网在美国可用的工作频段如下[13]： 首先，WMTS 频段。该频段是 FCC 定义的用于双向和单向电磁信号测量和医学参 数和病人相关的信息记录的频段。由于无线体域网主要应用场景就是医学场景，因此， 对于应用于医学领域的无线体域网内通信设备来说可以采用该频段。但是，由于该频 段是被FCC分配的，因此对于利用该频段传输的用户提供了非常高的限制，包括不允 许利用该频段传输音频和视频，同时对用户的带宽等进行限制。

其次，ISM 频段。由于FCC 并没有要求所有的医学设备都使用无线医学遥感频段， ISM 频段作为该频段的有效替代者也被广泛的应用。ISM 主要的特点是，可用的频段 比 WMTS 频段的带宽，且允许传输语音和视频业务。另外，该频段还有保护频段用 于防止相邻频段的传输干扰。不足的地方是该频段会受到其他已有无线移动设备的干 扰。

第三，MICS频段。该频段是FCC专门针对新近出现的高级医学使用而划分的用于 植入人体的医学设备传输信息的通信频段。该频段对于具体传输业务没有严格的要求 但是该频段只能被用于植入体内设备的数据传输。

第四，在可用的无线频谱资源中还包括广大未被注册的频段，这些频段主要集中 在高频段。这些频段可以根据不同国家和地区的情况被注册使用，这样能够避免不必

要的干扰。这些频段也可以在不注册的情况下使用。使用该频段进行通信，虽然节省 了成本，但是难免会受到来自其他用户的干扰。未被注册频段存在的主要的问题是： 该频段传输设备的设计经验不多以及基于这些频段的数据传输对人体的影响都是未 知的。

第五，现有的已注册频段。这些频段虽然已经被注册，但是很多注册用户对注册

频段的使用率并不高[14]。随着频谱感知技术被广泛用于在注册频段中寻找频谱空洞， 利用频谱感知技术在现有的注册频谱中动态的寻找频谱进行无线体域网的数据传输 开始成为可能。虽然在已注册频段进行数据传输需要利用感知技术增加了系统设计的 算法复杂性，但是现有已注册频段传输终端的设计已经非常成熟以及基于该频段的数 据传输对人体的影响也已经被广泛的研究。同时，通过实时的对频谱环境进行动态检 测，能够有效的避免其他的用户的冲突，保证本用户的传输可靠性。

总之，虽然对于无线体域网，可用的无线通信技术和可用的无线频段都有很大的 不确定性，但是无线体域网未来广阔的应用前景正在激励着广大科研工作者在这个领 域不断前行。

1.4. 本课题的研究意义

无线体域网的传输频段目前还没有统一的规定，但是很多学者和科研机构已经对

无线体域网可用的传输频谱进行了广泛而有建设性的研究。虽然ISM、MICS以及WMTS 频段等已分配频段和很多未分配频段可以被作为无线体域网数据传输的频段，但是这 些频段被用作无线体域网的传输频段时存在以下缺点：

首先，对于存在很多注册用户的 ISM、MICS以及WMTS 频段来说，无线体域网数 据传输设备的引入一方面，可能会影响已有用户的正常传输，另一方面，很多已有用 户的存在也会对无线体域网数据传输产生影响。由于无线体域网业务传输的最大特点 之一就是对数据传输可靠性要求很高，因此，很多已注册用户的干扰是不能被无线体 域网内数据传输所接受的。

其次，对于已经存在很多注册用户的ISM、MICS 以及WMTS 频段来说，FCC 对使 用这些频段进行数据传输用户的业务类型，传输带宽等都有着非常严格的要求。但是， 无线体域网的业务类型广泛，传输带宽多样，因此，直接利用这些已分配频段进行数 据传输会影响无线体域网的业务开展、降低设计的灵活性。

第三， 虽然目前也存在很多未被注册的频段。但是这些频段一面有很多潜在的用户，对体域网内数据传输的干扰再所难免；另一方面，这些频段特别是在高频的未分配频段的传输特性不明且系统设计的经验不多以及对人体健康的影响未知都将成为束缚该频段在无线体域网数据传输的使用。

综合以上分析，本文提出了无线体域网频谱检测技术。该技术将无线通信中的频 谱检测技术用于无线体域网中以找出可用的频谱空洞或者对周围的频谱环境进行检测以保证有效地完成数据传输。在无线体域网中采用频谱检测技术的优势如下：

首先， 利用频谱检测技术找出已注册频段中的可用频谱并适时检测潜在注册用户的数据传输情况。当注册用户出现时，体域网内的用户将放弃注册频谱，并继续找新的频谱空洞。通过采用频谱检测技术既能尽可能的保证体域网内用户的数据传输，又能避免体域网内用户和已注册频谱用户间的传输冲突。采用频谱检测感知技术也能有效的提高已注册频谱的利用率[15]。

其次，当利用频谱检测技术在已注册频段中寻找频谱空洞用于体域网内数据传输时，无线体域网的系统设计既可以充分利用这些已有频段现有的系统设计经验，又能够根据已有的研究数据分析降低利用这些频段进行数据传输时对人体健康的影响。

第三，频谱感知技术的采用能够对传输环境进行动态检测。作为感知技术中的重要概念，频谱感知技术的使用使得用户能够动态的感知周围的环境变化，便于数据端实时地作出变化以保证数据的有效传输。这种情况对于人体周围比较复杂的运动环境有着特别的意义。

1.5. 本课题的研究内容

通过对无线体域网发展现状的介绍，不难发现无线体域网中的很多应用都处在探 索阶段。本文在无线体域网已有研究成果和频谱感知技术基础上，围绕无线体域网内 的频谱检测算法对体域网中的相关技术进行研究。这些研究包括：

首先，本文将先对无线体域网中传输信道进行建模。无线体域网内的很多无线设 备都是贴在体表或者植入体内的。通过对无线体域网信道的建模，便于更好地研究无 线体域网内独特的传输环境开展科研工作。

其次，本文将对已有的频谱感知算法进行分析。无线体域网虽然是新兴的领域， 但是在该领域中采用的技术很多都是在无线通信技术中已经成熟的或者正在发展的。 在介绍无线体域网中频谱检测算法设计前，本文将先对已有频谱检测技术进行分析。 第三，本文将在考虑无线体域网传输特点和传统的频谱检测技术的基础上，考虑 应用于无线体域网频谱检测算法设计及性能特点。本文将通过在无线体域网信道模型

的基础上对频谱检测技术的分析和讨论找出无线体域网频谱检测与人体相关的一些因素， 为后续的系统设计提供一定的帮助。

第四，本文还将给出无线体域网物理实现方案。这部分将先在实验室现有硬件研 发经验的基础上给出无线体域网系统部分模块的设计方案，然后根据无线体域网的频 谱算法研究，对无线体域网中其他模块的设计特点进行讨论，以期为后续的研究工作提供一些指导性建议。

1.6. 本文的组织结构

根据对本文内容的讨论，本文的组织结构如下：

本文第二章将对无线体域网医学场景中贴在人体表面的无线设备间存在的信道建 模方法进行讨论，并分析不同信道的传输特性。

本文第三章将对传统通信技术中频谱感知算法的原理和特点进行分析。为后续能 量检测算法的讨论打下基础。

本文第四章中将在信道模型的基础上对无线体域网内频谱检测算法进行分析，以 便找出无线体域网中影响频谱检测算法的因素，为后续系统设计提供指导。 本文第五章将无线体域网中系统设计中的算法和实现细节进行讨论。 本文第六章将总结全文给出结论。

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