面向醫(yī)療監(jiān)測的無線體域網(wǎng)MAC層關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、面對日益迫切的國民健康需求，研究低成本、可穿戴、可無縫融入日常生活、不受限于時間與地點(diǎn)的醫(yī)療監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用至關(guān)重要。無線體域網(wǎng)WBAN(Wireless Body Area Network)是由一系列低功耗、微型化、輕量級、可置于體表或植入體內(nèi)、可提供實(shí)時數(shù)據(jù)、具備無線通信能力的傳感節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，為該類醫(yī)療監(jiān)測提供了創(chuàng)新性解決方案;而MAC層涉及WBAN的能耗、可擴(kuò)展性、高效通信，以及個人醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私性與安全性等諸多核心問題，因

2、此本文針對WBAN的MAC層關(guān)鍵技術(shù)開展研究。
　　本文按照MAC層“理論建?！鷧f(xié)議設(shè)計→安全協(xié)議”的研究思路，從緩存容量有限狀態(tài)下基于CSMA/CA機(jī)制的MAC層協(xié)議性能評估模型，低能耗、高時隙利用率、可滿足異構(gòu)醫(yī)療數(shù)據(jù)QoS需求的短中斯混合MAC協(xié)議設(shè)計，以及基于Fuzzy Commitment的MAC層輕量級密鑰協(xié)商協(xié)議設(shè)計三方面，對面向醫(yī)療監(jiān)測的無線體域網(wǎng)MAC層關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并構(gòu)建了以WBAN和云計算技術(shù)為支撐

3、的實(shí)時醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用場景內(nèi)對所研究技術(shù)進(jìn)行了分析驗(yàn)證。
　　本文的主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)包括以下幾方面:
　　(1)提出了一種適用于非飽和條件，可對基于IEEE802.15.6 CSMA/CA的WBAN MAC協(xié)議進(jìn)行性能評估的分析模型。模型采用三維離散馬爾科夫鏈來模擬非飽和狀態(tài)下無線體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的回退機(jī)制，通過求解馬爾科夫鏈得到不同優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)競爭到信道資源的概率;采用嵌入式馬爾科夫鏈分析緩存中的數(shù)據(jù)包隊列，得到穩(wěn)態(tài)時

4、緩存中的數(shù)據(jù)包隊列分布;基于概率母函數(shù)和利特爾法則，分別計算出數(shù)據(jù)包的平均服務(wù)時間和平均排隊時延，進(jìn)而得到數(shù)據(jù)包的平均時延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量;通過計算每個節(jié)點(diǎn)的能量消耗，得到整個網(wǎng)絡(luò)的能效。通過Matlab仿真驗(yàn)證了理論模型的正確性，結(jié)果表明該模型可以對非飽和條件下的無線體域網(wǎng)MAC協(xié)議性能進(jìn)行有效評估。
　　(2)以無線體域網(wǎng)醫(yī)療監(jiān)測為應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)計了一種混合型媒體接入?yún)f(xié)議(I-MAC)。通過對超幀結(jié)構(gòu)與時隙分配的設(shè)計改進(jìn)，I-MAC

5、可提高能量利用效率與時隙利用效率，并同時能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性與可靠性要求。I-MAC采用較長超幀結(jié)構(gòu)以消除多余信標(biāo)收發(fā)所需能耗，從而提高能量利用效率;并將大多數(shù)時隙分配為GTS時隙，以滿足傳輸周期性醫(yī)療監(jiān)測應(yīng)用所產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的帶寬需求;針對隨機(jī)緊急監(jiān)測數(shù)據(jù)，特殊設(shè)計了中斷時隙進(jìn)行傳輸并保證這些數(shù)據(jù)的實(shí)時性與可靠性要求。仿真結(jié)果表明，不同參數(shù)配置的I-MAC協(xié)議的能量效率、時隙利用率均高于802.15.4，且同時能夠滿足數(shù)據(jù)的時延要求;當(dāng)每

6、個中斷周期內(nèi)的隨機(jī)性醫(yī)療監(jiān)測數(shù)據(jù)量小于1時，I-MAC協(xié)議可顯著提升無線體域網(wǎng)的性能，對于具有低非周期性隨機(jī)數(shù)據(jù)的無線體域網(wǎng)，協(xié)議也具有良好的性能。
　　(3)對體域網(wǎng)中基于噪聲生理信號的密鑰協(xié)商機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)性深入研究，其中詳細(xì)分析了兩種主流密鑰協(xié)商技術(shù)Fuzzy Commitment和Fuzzy Vault的優(yōu)勢和劣勢，并根據(jù)各自的特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)化分類。對體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器間的單跳與多跳傳輸方式的能耗進(jìn)行了細(xì)致的對比分析，指出對

7、于體表傳感節(jié)點(diǎn)，單跳傳輸更加節(jié)能，為構(gòu)建低能耗的體域網(wǎng)密鑰管理模型打下了基礎(chǔ)。提出了一種基于FuzzyCommitment和ECG信號的輕量級MAC層密鑰協(xié)商協(xié)議。在該協(xié)議的初始化階段，通過共享密鑰產(chǎn)生承諾的方式避免了體域網(wǎng)間的互干擾，并能夠抵御基于超寬帶雷達(dá)遙測的新型攻擊方式;在密鑰協(xié)商階段，利用時間窗機(jī)制實(shí)現(xiàn)了噪聲生理信號的弱同步，避免了精確時間同步所帶來的巨大能耗;采用了“以計算能耗代替?zhèn)鬏斈芎摹钡乃悸?，利用簡單的比特級運(yùn)算避免了

8、由于生理信號噪聲造成的密鑰協(xié)商失敗所帶來的協(xié)議重啟，極大地節(jié)約了能量。分析表明，該協(xié)議既保障了WBAN密鑰協(xié)商的低能耗需求，又提升了協(xié)議的抗攻擊性能。
　　(4)在上述研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，通過詳細(xì)的軟硬件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)的研究，構(gòu)建了以無線體域網(wǎng)為支撐的實(shí)時醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以多樣化的醫(yī)療傳感器為節(jié)點(diǎn)，以設(shè)計完成的智能云健康檢測儀為智能協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)了輕量級WBAN的快速部署，完成了人體多類醫(yī)學(xué)生理指標(biāo)的精準(zhǔn)感知與監(jiān)測;數(shù)據(jù)經(jīng)智能處理后