文/华为技术有限公司 罗忠   摘  要：无线体域网(WBAN)是当前一个重要的技术热点，和无线个域网(WPAN)、无线传感器网络(WSN)、泛在传感器网络(USN)、无线短距通信以及移动通信都着有密切的关系，并且具有非常广泛的应用前景和巨大的市场潜能。本文是上篇，针对WBAN发展的最新动态进行介绍，包括WBAN应用场景、WBAN和WPAN、WSN、USN、无线短距通信和移动通信之间的关系、WBAN的技术发展预测、以及相关的国际标准动态等。在对应的下篇中，将重点介绍WBAN的一些关键技术及其最新研究动态。 关键词：WBAN  WPAN  WSN    一、 前言      顾名思义，无线体域网WBAN，即Wireless Body Area Network，就是以人体为中心，由和人体相关的网络元素（包括个人终端，分布在人身体上、衣物上、人体周围一定距离范围如2米内、甚至人身体内部的传感器、组网设备）等组成的通信网络。通过WBAN，人可以和其身上携带的个人电子设备如PDA、手机等进行通信，数据同步等。通过WBAN和其它数据通信网络比如其他人的WBAN、无线/有线接入网络、移动通信网络等成为整个通信网络的一部分，和网络上的任何终端如PC、手机、电话机、媒体播放设备、数码相机、游戏机等进行通信。        WBAN将把人体变成通信网络的一部分，从而真正实现网络的泛在化，可穿戴的计算(wearable computing)、无所不在的计算(ubiquitous computing)也将随着WBAN的普及应用成为人们日常生活的基本特征。        WBAN其实是一个交叉技术领域，和无线通信中的很多现有领域有着密切的关系。技术发展中也存在一些需要深入研究的问题。同时一项技术的成功应用和标准的制定也有着密不可分的关系。本文试图从这些视角来对于WBAN进行一个全面的介绍。        WBAN商用化的时代已经在悄悄到来。笔者不久前在美国和欧洲都看到了这样一款很受时尚人士欢迎的无线运动鞋(Wireless Shoe)产品：在特制的运动鞋中植入一个能够感知脚步运动的传感器A，在人的上臂上佩戴一个数据接收装置B，该装置可以和同样固定在上臂上的iPod媒体播放器C相连，A把人运动的数据(行进速度、步长、单位时间步数、距离等)通过无线方式发送给B，然后B和C进行有线（也可以是无线如蓝牙）通信，C接收到数据后可以进行计算和显示。   二、 WBAN的应用场景分析      从目前业界的研究来看，WBAN的主要应用场景有如下几个：（1）人体传感器网络；（2）人体(健康)状况监控；（3）可穿戴的媒体播放；（4）以移动通信终端为中心的应用；（5）视频流应用；（6）远程控制。   1．人体传感器网络

图 1 人体传感器网络应用场景      人体传感器网络的应用场景如图1所示。主要可用于病人的监护，生理参数的测量等。各种传感器可以把测量数据通过无线方式传送到专用的监护仪器、或者各种通信终端上，如PC、手机、PDA等。目前研究认为，人体上或者内部大约可以布署10～20个各类传感器，总的数据传输流量＜10kbps。   2.人体(健康)状况监控      可以对于人体的各种状况进行监控，将数据传送到各种通信终端上。监控的对象不一定是病人，可以正常人。前面描述的测量人体运动数据的无线运动鞋产品属于这一范畴。总的传输流量＜500kbps。   3．可穿戴的媒体播放 图2可穿戴的媒体播放应用场景   图2描述的应用场景中，多种具有媒体播放功能的个人终端设备可以通过WBAN和耳机进行通信，把播放的媒体数据传送到耳机。WBAN可以和车内的网络进行通信。 4．以移动通信终端为中心的应用     图3 以移动通信终端为中心的应用场景        在这种应用场景中，手机居于WBAN的中心位置，各种设备和传感器都可以和手机进行通信。手机成为WBAN和外部网络如家庭网络、无线(WLAN、WiMAX)网络、公共IP网络、2G/3G/4G移动通信网络进行连接。   5．视频流应用      布署在人体上的传感器可以获取视频数据，然后通过WBAN把视频数据以流的方式传送到具有流媒体播放能力的终端上。潜在的应用需求有很多，比如记者可以在身上佩带微型摄像头，随时进行采访，采访的视频和音频以流的方式传送回电视台或者报社。另外一个应用场景是所谓的“药片照相机”(Pill Camera)，即医生可以通过病人身上佩带的照相机来监视病人服用的药物是否正确。当然目前的WBAN如果要支持视频数据的传输，还要解决很多实际的技术问题。比如如何降低压缩编码和传输视频数据的功耗等。   6．远程控制     用户可以通过一个多功能的遥控设备（手机中的一个模块）控制电视机、DVD机、PC、投影仪、HVAC(取暖、通风、空调的缩写)等。当然这种应用在WBAN中不是主要的，主要是对于其它主要功能的补充。   三、 WBAN和WPAN、WSN/USN、无线短距通信以及移动通信之间的关系分析     WBAN是一个交叉技术领域，和很多技术都有关系。图4显示了WBAN和无线个域网WPAN、WSN/USN、无线短距通信、传感器技术之间的关系。

  图4 WBAN是多个技术领域的交叉        目前业界倾向于认为WBAN是WPAN的一种延伸。一般意义上的WPAN是指个人相关的各种通信设备比如PC、手机、媒体播放器、PDA、数码相机等之间的联网和通信。而WBAN还扩展到了布署在人体上和内部的各类传感器。        WSN目前的应用很广泛，其中有一类是和WBAN相关的。远程医疗诊断和监护其实是WSN的一个非常重要的方面。传感器网络的泛在化导致了所谓泛在传感器网络USN的出现。USN其实是一种面向应用和业务的体系架构，通过这种公共的架构可以支持各种传感器网络和全IP的公共数据网络相互连通，实现FMC，基于传感器数据提供各类业务和应用。目前ITU-T已经进入到USN标准化研究的初始阶段。关于USN笔者将在今后通过专题文章来讨论。        短距无线通信技术是传感器和终端设备之间、以及在短距离内终端和终端之间通信的主要方式。目前有很多相关的技术比如UWB、Zigbee等。图5显示了关于WBAN的定位以及它和其他技术的关系。显然，和其它的短距无线通信技术相比，WBAN需要的短距通信技术在相同的功率下，数据传输速率更高；或者在相同的数据传输速率下，需要的功率更低。因此相对来说， UWB是一种更加合适的技术。目前研究的前沿领域是如何针对人体对于UWB频谱范围的电波的传播特性(Propagation Characteristics)，优化接收机的结构和天线模式/结构。在1.5GHz～8GHz频谱范围内，需要考虑电磁波的直接传输、表面波、反射和衍射，问题是非常复杂的。而对于人体的建模和传播特性的测量也是一个相当困难的技术问题。 图5 WBAN在无线短距通信方面的定位以及和其它技术的关系        传感器技术是WBAN的重要基础，小型化、智能化、高精度、低功率的各类传感器是支持WBAN的必要条件。尤其是低功率，对于植入到人体内部的传感器是非常关键的性能。这些传感器只能靠电池来驱动，有限的电池能量需要在相当长的传感器生命周期内支持传感器的正常工作。因此，WBAN中的传感器，有的具有从周边环境自动收集能量的能力，比如利用人体组织的热量转换电能等。  图6  WBAN通过和其它网络的联接成为整个通信网络的有机组成部分        从组网方面考虑，WBAN可以和家庭网络、有线或者无线接入网络、移动通信网络互联。组网的方式可以有多种，图6给出的只是一个典型的例子。在前文描述的应用场景中，手机作为WBAN的中心环节，手机支持多种模式GSM/CDMA/3G/HSPDA/WLAN/WiMAX/蓝牙等，就可以方便地成为连接WBAN和家庭网络、WLAN/WiMAX接入网络、移动通信网络的桥梁。同时，如果人在汽车中，WBAN也可以和车内网络联通。       表1 移动通信网络、WSN和WBAN三者之间的对比关系     其实因为应用领域的不同，移动通信网络、WSN和WBAN三者之间有关系，但是也有很多不同，表1给出了一个简要的对比分析。比如在流量特征上，移动通信网络主要是高比特率的多媒体数据、WSN是和应用相关的零星突发的数据、WBAN是存在持续数据量的，但是比特率比较低。网络拓扑方面，移动通信网络在基础架构上是基本不变的、WSN支持随机和动态的拓扑结构、WBAN也需要支持动态的网络拓扑。在对于能源的需求方面，WSN和WBAN都要求电池能够使用数年，因此要求低功耗。因此在总体设计思想上，移动通信网络追求的是高带宽利用率、高频谱利用率、QoS，而WSN和WBAN都首先要追求高能源利用效率、网络的自主操作性和成本低廉。除此而外WBAN还要求对于电磁干扰具有良好的屏蔽能力，这主要是从防干扰和保护人类健康考虑出发的。   四、 WBAN技术发展趋势的预测 视频监控 视频通信