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Procedia Computer Science 83 (2016) 1274 – 1281

The Second International Workshop on Recent Advances on Machine-to-Machine Communications

Wireless Body Area Networks: Applications and technologies

Rim Negra^a, , Imen Jemili^a, Abdelfettah Belghith^a,b

^a HANAlab, University of Manouba, Tunisia Email: rim.negra@gmail.com, imen.jemili@hanalab.org

^b College of Computer and Information Sciences, King Saud University, Saudi Arabia Email: abelghith@ksu.edu.sa

Abstract

The increasing use of wireless networks and the constant miniaturization of electrical invasive/non-invasive devices have empow-ered the development of Wireless Body Area Networks (WBANs). A WBAN provides a continuous health monitoring of a patient without any constraint on his/her normal daily life activities. Many technologies have proved their efficiency in supporting WBANs applications, such as remote monitoring, biofeedback and assisted living by responding to their specific quality of service (QoS) requirements. Due to numerous available technologies, selecting the appropriate technology for a medical application is being a challenging task. In this paper, the different medical applications are presented. The most common technologies used in WBANs are highlighted. Finally, a matching between each application and the corresponding suitable technology is studied.

1. Intoduction

Ubiquitous healthcare is an emerging technology that promises increases in effciency, accuracy and availability of medical treatment due to the recent advances in wireless communication and in electronics offering small and intelligent sensors able to be used on, around, in or implanted in the human body. In this context, Wireless Body area networks (WBANs) constitute an active field of research and development as it offers the potential of great im-provement in the delivery and monitoring of healthcare ²². WBANs consist of a number of heterogeneous biological sensors. These sensors are placed in different parts of the body and can be wearable or implanted under the user skin. Each of them has specific requirements and is used for different missions. These devices are used for measuring changes in a patient vital signs and detecting emotions or human statuses, such as fear, stress, happiness, etc. They communicate with a special coordinator node, which is generally less energy constrained and has more processing capacities. It is responsible for sending biological signals of the patient to the medical doctor in order to provide real

time medical diagnostic and allow him to take the right decisions.

As exposed in Fig.1, the WBAN common architecture consists of three tiers communications: Intra-BAN commu-nications, Inter-BAN communications and beyond-BAN communications. Intra-BAN communications denote com-munications among wireless body sensors and the master node of the WBAN. Inter-BAN communications involve communications between the master node and personal devices such as notebooks, home service robots, and so on. The beyond-BAN tier connects the personal device to the Internet. Communications between different parts is sup-

Fig. 1. General architecture for Wireless Body Area Networks

ported by several technologies, such as Bluetooth, IEEE 802.15.4. IEEE 802.15.6 was designed especially for WBAN applications while responding to the majority of their requirements. However, it looks less performing in some cases in comparison with other technologies supporting WBAN. Wi-Fi, Bluetooth and mobile networks can be solutions for implementing WBAN applications, since each technology offers specific characteristics, allowing it to meet the constraints of some applications ⁴. In fact, WBAN applications cover numerous fields in order to improve the users quality of life. These applications can be categorized mainly according to whether they are used in medical field or in non-medical field. Non-medical applications include motion and gestures detection for interactive gaming and fitness monitoring applications, cognitive and emotional recognition for driving assistance or social interactions and medical assistance in disaster events, like terrorist attacks, earthquakes and bush fires. Medical applications comprise health-care solutions for aging and diseased populations mainly. Typical examples include the early detection, prevention and monitoring of diseases, elderly assistance at home, rehabilitation after surgeries, biofeedback applications which controls emotional states and assisted living applications which improve the quality of life for people with disabilities. Generally, body sensors used in health monitoring ³ can be either : (a) Physiological sensors used to measure human body vital signals internally or externally, like body temperature, blood pressure or Electrocardiography (ECG); or

(b) Biokinetic sensors able to collect human body movement based signals as acceleration or angular rate of rotation. To offer additional information about ambient temperature, environment pressure, light or humidity, ambient sensors can be combined to body sensors. In fact, since these sensors are in charge of monitoring the environment, they can provide valuable additional information for medical diagnosis and treatment, which is often the case in home environ-ment ⁸. However, the conception of WBAN applications should take into account many technical requirements, such as the motions and the temperature of the nodes, the node locations and the low node capacities in term of energy and processing. Other constraints tightly associated to wireless technologies, used for the communica

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无线局域网：应用与技术

摘要

无线网络的使用增加和电气设备的不断小型化微创/无创有次赋权，对无线居域网的发展（WBANs）起到了促进作用。WBAN提供病人一个连续的健康监测，没有对他/她的日常生活活动的任何约束。许多技术已经在支持无线体域网中的应用证明了其效率，如远程监控、反馈和辅助生活响应特定的服务质量（QoS）的要求。由于许多现有的技术，选择合适的技术，医疗应用是一个具有挑战性的任务。在本文中，提出了不同的医疗应用。使用最普遍的技术是突出无线局域网。最后，研究了每个应用程序之间的匹配和相应的合适的技术。

1.引言

无处不在的医疗保健是一个新兴的技术，承诺在效率增加精度，由于在无线通信和电子工程小型化，智能化的传感器能够用于在近年来的医疗供应，或植入人体。在这样的背景下，无线体域网（WBANs）构成的研究和发展的一个活跃的领域，它有着很大的改进潜力。WBANs包括多个生物传感器。这些传感器被放置在地ff不同身体部位的可穿戴或植入皮肤下的用户。他们每个人都有特定的要求，用于不同的任务ff迪。这些设备是用于测量病人生命体征和检测情绪或人的状态的变化，如恐惧、压力、幸福，等他们与一个特殊的协调器节点，通常是更少的能源约束和有更多的处理能力。它是负责向医生发送生物信号的病人，以提供实时的医疗诊断，并允许他采取正确的决定。

如图1，WBAN共同架构由三层通信：通信间内禁止，禁令禁止通信和超越。内禁止通信指通信无线身体传感器和主节点之间的无线体域网。间禁止通信包括主节点和个人设备之间的通信，如笔记本电脑，家庭服务机器人等。超禁止层将个人设备连接到互联网。

无线局域网的一般架构移植到多种技术，如蓝牙，IEEE 802.15.4。IEEE 802.15.6 WBAN是专为应用在回应他们的要求，大多数。然而，它看起来不执行在某些情况下，与其他技术支持无线体域网的比较。Wi-Fi、蓝牙和移动网络可以实现网络应用解决方案，因为每个ffERS技术特点，可以满足某些应用的约束。事实上，WBAN应用覆盖为众多领域提高生活品质的用户。这些应用可以分类主要根据他们是否被用于医学领域还是在非医疗领域。非医疗应用包括运动和手势检测的互动游戏和健身监测应用程序，认知和情绪识别的驾驶援助或社会互动和医疗援助，在灾害事件，如恐怖袭击，地震和丛林火灾。医学上的应用主要包括老化和患病人群的保健解决方案。典型的例子包括早期发现，预防和监测疾病，老年人的援助，在家里，康复后手术，生物反馈控制，控制情绪状态和辅助生活的应用，提高生活质量的残疾人士。一般来说，用于健康监测传感器3身体可以是：（一）生理传感器用于测量人体生命信号的内部或外部，如体温、血压、心电图（ECG）；或（b）相关的传感器能够采集人体运动为基础的信号作为加速或旋转角速度。二附加信息对环境温度、环境压力、光、湿度、环境传感器可以组合体传感器。事实上，由于这些传感器在环境监测的费用，他们可以为医学诊断和治疗提供更多有价值的信息，这是通常情况下在家居环境8。然而，网络应用的概念时要考虑许多技术要求，如运动和节点的温度、节点位置和能量和处理能力低的节点。紧密相关的无线技术等方面的限制，用于通信之间的身体和身体中的节点，必须考虑，如短的区域范围内，数据率，指定医疗应用所需的数据速率和延迟等1类ISO / IEEE 11073 1，21。此外，无线体域网的应用可以有额外的要求，对医疗应用紧密相关，以及患者的情况。例如，使用植入传感器的应用应该依靠机制降低能耗以延长电池的使用寿命；同时实现最大吞吐量和最小的延迟是一个具有高临界应用特权，如老年心脏手术患者。所有这些陈述和要求，促使我们去研究二ffWBAN应用不同和突出满足良好的约束。我们也直接ff不同技术的使用和尝试将WBAN应用程序与适当的技术以实现QoS最大的研究。本文其余部分的结构如下。

1 ISO / IEEE 11073：国际电气和电子工程师协会11073标准化/组织：个人健康数据（博士）标准。

WBAN应用类别。3部分回顾了二ff不同技术用于WBANs而提出关键特性使它们在某些WBAN情况下适当。4节表现出每个类别的医疗应用的具体要求，并讨论了最合适的技术能够满足其特殊要求。最后一节总结我们的工作。

1. 无线局域网中的应用

无线体域网中支持一些创新的和有趣的应用。这些应用包括几个领域，如智能医疗保健，辅助老年人生活，应急响应和互动游戏。如前所述，许多研究分类WBAN应用为医疗和非医疗的应用。作者区分身体和身体的应用为医疗。在这一节中，我们提出了一个概述的主要类别的医疗应用，其技术服务质量的要求将在第3节中讨论。

2.1.远程医疗和远程病人监护

不断增长的医疗费用和世界人口的老龄化有助于在远程医疗网络的发展，提供多种医疗服务。远程医疗使远程交付使用集成的医疗信息系统和电信技术，让科学家，医生和其他医疗专业人员在世界各地为更多的病人提供服务。事实上，由于身体传感器提供信号，收集信息，可以有效处理ff获得可靠和准确的估计，并允许远程生理医生有医生诊断和处方实时意见。这样的智能医疗系统，可以提供诊断程序，维护的慢性疾病和监督恢复手术过程中的应用。病人监测应用一般控制生命信号，并提供实时反馈和信息，帮助病人恢复。在这种情况下，我们可以保持病人在自然生理状态下的医生监测，而不限制其正常的活动，并没有伤害他高成本。日常生活活动的监测监控活动的患者日常生活中一些具体的疾病；而住院监测重点患者呆在医院重症监护和观察的情况下，有时长时间。同时，连续记录一些医疗参数。家庭康复治疗的术后康复治疗的患者在他们的后恢复期内的一个医疗手术/手术和康复期住院治疗。一个城市可以提供生理参数的连续测量和允许更好的揭示器官衰竭和更快的检测急救情况。这样的远程监控系统会更安全、更方便、更便宜。在这一领域，许多作品在文学作品中被提出。其中一些人试图设计一个通用的框架，能够支持大多数的情况下，而其他人试图研究特定的疾病。心血管疾病23、糖尿病14、癌症检测、帕金森13、哮喘、阿尔茨海默病和人工视网膜是具体的远程病人监测应用的实例21。

2.2.康复治疗

康复的目标是让患者恢复正常的功能能力，通过适当的康复治疗后，他们被解雇。事实上，康复是一个动态的过程，它使用现有的设施，以纠正任何不想要的运动行为，以达到预期（如理想位置）。使一个人经历了一次中风，以恢复最高可能的独立性，使她能够尽可能的生产，运动的患者，在康复过程中，需要不断地监测和纠正，以保持一个正确的运动模式。因此，检测/跟踪人体运动在家庭为基础的康复计划的重要和必要的。传感器多元化，多传感器数据融合，实时反馈的患者和虚拟现实的功能，使康复一个特定的研究领域。

2.3.生物反馈

人体自身的远程监控成为可能，利用wbans访问由传感器收集的数据。传感器植入或放置在人体监测某些行为或疾病，帮助患者保持他们的健康通过生物反馈现象如温度分析，检测血压，心电图（ECG）、肌电图（EMG），其中。在这种情况下，生物反馈是指测量的生理活动，加上其他潜在的有用的参数，并反馈给用户，让他学会如何控制和修改他的生理活动的目的，提高他的健康和性能。自20世纪60年代以来，生物反馈已被应用，并已被证明是有用的控制情绪状态和非自愿的身体功能，如偏头痛和血压。生物反馈设备可以包括那些监测呼吸、心脏功能、肌肉活动和脑电波。

2.4.环境辅助生活

人口老龄化、正规医疗保健费用的增加和个人独立生活的重要性，都激励了创新辅助生活技术的发展，为安全和独立的老龄化。在这一领域的应用提高生活质量，以保持一个更独立的生活方式，使用家庭自动化。事实上，辅助生活设施的出现作为替代设施与功能，老年人也不被认为是独立的但不全天候医疗需要的人，为护理和养老院。一个环境传感器网络可以感觉和控制的生活环境的参数，然后将身体数据传送到中环火车站，由于持续的认知和物理监测。这些人的健康状况，可以从他们的心跳速率，血压和加速度计数据估计。该系统可以连接到一个健康护理中心的观察和紧急援助，在观察到的参数或偏离正常范围的强烈变化的情况。

3.无线体域网技术

WBAN可能涉及不同的技术在不同层次，如暴露在图1。在本节中，我们主要探讨WBAN技术综合研究。

3.1.蓝牙

蓝牙技术被设计为一个短距离的无线通信标准，旨在保持高水平的安全性。由于这项技术，每台设备可以同时与多达七个其他设备在一个单一的单元进行通信，Ad hoc网络包括一个设备作为主，有多达七人在微微网的终身奴隶。奴隶必须由系统时钟同步，掌握和遵循跳跃模式，由主人决定。此外，每一个设备可以同时属于几个微微网，当他们进入其他主设备的无线电近炸。蓝牙的主要特点是允许蓝牙功能的设备广泛的连接和相互沟通，几乎无处不在的世界。另一个关键功能是设备的能力，而不需要连接的设备的视线定位的需要。因此，它被广泛用于连接各种个人携带的设备，以支持数据和语音应用。蓝牙设备工作在2.4 GHz ISM频段（工业、科学和医疗带），利用跳频79 1 MHz信道在标称1600跳/秒的速率减少干扰。本标准规定了三类二ff不同发射功率和相应的覆盖范围从1到100米的最大数据速率为3 Mbps的设备。

3.2.低功耗蓝牙技术

导出选项的蓝牙标准的蓝牙低功耗（BLE），其中介绍了WBAN应用耗电少，可以使用低占空比操作更合适的选择。蓝牙乐的目的是无线连接到移动终端的小型设备。这些设备往往太小，承担的功耗以及与标准蓝牙无线电相关的成本，但健康监测应用的理想选择。蓝牙低功耗技术有望提供数据速率高达1 Mbps。使用配对设备的渠道少，同步可以在几毫秒相比蓝牙秒完成。这有利于延迟关键禁令的应用，如报警的产生和应急反应，提高节能。其标称数据速率、低延迟和低能耗使BLE适合可穿戴式传感器节点和接入点（AP）之间的通信。此外，自适应跳频扩频允许能够与Wi-Fi共存。然而，与其他设备的干扰可能是为技术工作在2.4GHz的ISM频段的问题。此外，蓝牙支持二ff不同数据速率的应用具有更大的优越性，网络的覆盖范围和功率的要求，这是最方便的短期高数据速率应用的两对等设备连接在一个特设的配置，如两个人服务器两WBANs或WBAN和个人计算机之间。

3.3.ZigBee和802.15.4

由Zi gBee ZigBee规范，是一个无线网络技术是从低功耗环境广泛应用。ZigBee是针对射频应用需要低数据速率，电池寿命和安全的网络，由于它的128位安全支持执行身份验证和保证完整性和隐私信息。在睡眠模式下，ZigBee设备能够运行几年前的电池需要更换。ZigBee技术是分为两个部分。首先，ZigBee联盟将应用层，定义网络、安全和应用软件层。第二，IEEE 802.15.4标准定义的物理层和媒质访问控制层，其中接入无线信道是通过采用非时隙/时隙CSMA/CA（载波侦听多路访问冲突避免）信道接入和处理保证时隙（GTS）的分配和管理机制。基于ZigBee的无线设备工作在868兆赫，915兆赫，2.4 GHz频段。因此，WBAN应用ZigBee的一个明显的缺点是由于与无线局域网（WLAN）的干扰传输，特别是在2.4 GHz，在众多的无线系统的操作。ZigBee的另一个缺点是它的低数据率相关（250 Kbps），这使得它的大规模实时WBAN应用不当。事实上，由于较低的数据速率，这是二ffi邪教在医院或诊所实施（多例）；但是，个人使用是理想的（病人）。

3.4.IEEE 802.11

IEEE 802.11是一组无线局域网（WLAN）标准。基于IEEE 802.11标准，让Wi-Fi上网的宽带速度时，在连接到一个接入点（AP）或网络Ad Hoc模式。它非常适合大数据传输，提供高速无线连接，并允许视频会议，语音通话和视频流。一个重要的优点是，所有的智能手机，平板电脑和笔记本电脑都有Wi-Fi集成；然而，高能耗是一个重要的缺点3。

3.5.IEEE 802.15.6

IEEE 802.15.6 WBAN的第一标准提供各种医疗和非医疗的应用和支持内部和周围的人体通信。IEEE 802.15.6标准采用双ff不同频段进行数据传输，包括：窄带（NB）包括400、800、900 MHz和2.3 GHz和2.4 GHz频段；超宽带（UWB），采用3.111.2 GHz；和人体通信（HBC）所使用的频率范围内1050 MHz的范围。这个标准是一步可穿戴无线传感器网络，它是专为使用广泛的数据率、能耗、低范围、节点数量充足（256）每体域网和不同节点的优先级根据应用要求。信道接入处理使用CSMA／CA或时隙ALOHA接入方式。它提供了安全功能的灵活性，因为它定义了3个安全方案三。IEEE 802.15.6标准可达到的数据速率高达10 Mbps的而极低的功率。此外，它可以考虑一些身体动作（即直行从一点到另一点），这是不适合应用要求的情况下出现的WBAN如坐、躺、站起来，慢跑，游泳和跑步。这个标准可以满足大多数应用要求的最大吞吐量无线体域网实现680 kbps。但是，它是不能够满足的新兴应用程序，需要高品质的音频或视频传输的限制。

3.6.其他无线技术

除了用于WBAN的开发应用最普遍的技术，其他的无线电技术可以有效的ffi。超宽带技术用于短距离通信系统，提供高带宽。由于用户的本地化是特别重要的，在辅助生活设施和医院的室内定位，超宽带提供了唯一可靠的方法的本地化。然而，由于它的复杂性，它是不适合的可穿戴式应用。蚂蚁协议是健康和健康监测应用程序的另一个新的标准。蚂蚁是一个低速度和低功耗协议，由几个传感器制造商的支持。卓联科技的超低功耗，使得它适合用于医疗植入物需要较低的频率和较低的数据速率的应用。哈鲁有源无线协议采用长波磁信号的发送和接收短（128字节）在当地的网络数据包。哈鲁不需要其操作视线通信。此外，哈鲁具有有效传输距离的优势，安全性高、超低功耗、运行稳定的普罗维登斯和超长的电池寿命，使方便很多WBANs应用如病人监控

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