体域网

体域网，英文为Body Area Network(BAN)，是附着在人体身上的一种网络，由一套小巧可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或称BAN协调器)组成。

每一传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。

协调器是网络的管理器，也是BAN和外部网络(如3G、WiMAX、Wi-Fi等)之间的网关，使数据能够得以安全地传送和交换。

由于这些传感器通过无线技术进行通信，所以体域网也叫无线体域网(WBAN)。

体域网是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术，早期应用主要是用来连续监视和记录慢性病(如糖尿病、哮喘病和心脏病等)患者的健康参数，提供某种方式的自动疗法控制。

比如，糖尿病患者一旦他的胰岛素水平下降，他身上的BAN马上可以激活一个泵，自动为患者注射胰岛素，使患者不用医生也能把胰岛素控制在正常水平。

体域网未来还可广泛应用于消费者电子、娱乐、运动、环境智能、畜牧、泛在计算、军事或安全等领域。

不仅如此，眼前仍停留在科幻小说之中的所谓“智慧尘埃”(具有处理能力和无线通信能力的显微镜器件)将来也完全有可能出现在体域网中。

体域网在国际上已经得到了广泛研究，包括医疗技术提供商、医院、保险公司以及工业界的各方人士正在开展战略性合作，但目前仍处在早期阶段，在毫瓦级网络能耗、互操作性、系统设备、安全性、传感器验证、数据一致性等方面面临一系列挑战。

IEEE802.15任务组6正在制定的BAN通信标准有望在2010年完成。

这种技术一旦被接纳采用，将在医疗保健方面取得重大突破。

体域网虽然是覆盖面最小的网络，但却是惠及面极广的网络，万万不可等闲视之。

截至2008年底，我国老年人口已达1.69亿，占总人口的12.79%。

我国是世界老年人口最多的国家，占全球老年人口总量的五分之一。

老年人为国家、为人民作出了巨大贡献。

作为一种回报，我们应该让体域网这种先进技术服务于我国老年人的医疗保健。

与此同时，在某种程度上BAN的应用还可以缓解医院拥挤看病难的问题以及助推远程医疗等构想的真正实施。

从商业角度看，体域网在我国也必定具有广泛的用途和巨大的潜在市场。

体域网是以人体周围的设备例如随身携带的手表、传感器以及手机等，以及人体内部（即植入设备）等为对象的无线通信专用系统。

目前，体域网所使用的频带尚未确定，但400兆赫兹频带以及600兆赫兹频带已被列入议程。

专家认为，体域网技术将在医疗中得到广泛应用。

近年来，随着微电子技术的发展，可穿戴、可植入、可侵入的服务于人的健康监护设备已经出现：如穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质测量器、睡眠生理检查器、可植入型身份识别组件等。

假如没有体域网，这些传感器和促动器则都只能独立工作，要自带各自的通信部件，因此通信资源不能有效利用。

目前在日本，关于信息通信技术在医疗领域的应用研究相当活跃。

引言随着无线通信技术的不断发展，无线体域网在健康监测、慢性病防治、老人看护等可穿戴设备中有着广泛的应用[1]。

国际电子电气工程协会（IEEE）于2012年2月发布IEEE 802.15.6无线体域网（WBAN）标准，对其物理层（PHY）和无线媒体介入控制层（MAC）进行了规范[2]。

该标准为穿戴式及植入式设备而设计，满足短距离近人体无线通信的低功耗、高安全性、高可靠性的要求[3]。

随着可穿戴式设备的大规模应用，体域网将具有广阔的应用空间。

在此背景下，开发一款支持IEEE802.15.6协议的SoC基带芯片将具有巨大的市场价值。

随着电子系统集成度的大幅提高，SoC的设计规模也在不断扩展，因此SoC的验证工作也越来越复杂。

统计表明，SoC流片一次的成功率大约为35%，其失败的主要原因是验证工作不够充分[4]。

为了提高芯片的良品率，在体域网基带开发的同时，必须做好验证平台的设计工作。

可穿戴式SoC主要用于健康医疗设备，需要对体温、血氧、血压、心率、心电等信号进行采集和传输，这对人体健康检测及疾病预防有重要作用，其需要较高的传输性能。

同时由于信号的传输速率不同[5]，在接收端会产生不同的延时及成功收包率。

因此在验证平台的设计中需要考虑以下需求：(1)基带协议一致性验证，协议帧格式正确是保证基带完成通信的基础。

(2)传输可靠性验证，尽可能地为数据提供一个高质量通信链路。

(3)多种健康信息的服务质量（QoS）验证。

针对体域网传输信号的多样性，模拟发送不同速率的测试向量，验证其服务质量是否满足可穿戴设备要求。

目前，研究人员大多使用传统的商业软件无线电平台对基带的功能进行验证，例如USRP、bladeRF及HackRF等。

与使用FPGA硬件电路实现协议处理的体域网基带不同，此类平台通过上位机软件算法实现协议的处理与开发，并且接口封闭不便于进一步开发，因此不能满足体域网基带SoC验证需求。

结合IEEE802.15.6标准中窄带通信物理层电路设计规范，本文设计并开发了包含FPGA、射频前端、混合信号前端、电源管理等模块的硬件系统。

结合穿戴式健康应用的特殊需求，设计并实现了体域网数据流状态机，对多输入向量进行自动加载，实现了体域网基带在不同速率下，对延时、功耗的自动测量。

针对自主开发的IEEE802.15.6的基带IP核设计了精准的时序采集模块，实现了协议帧的提取，验证了协议的一致性。

同时，为控制节点数据传输，便于直观地进行测试，设计并实现了上位机软件，对测试结果和中间过程进行实时追踪。

1 平台总体结构设计及硬件实现如图1所示，验证平台硬件系统由高集成度FPGA、收发机电路及电源管理电路组成[6]。

1.1 收发机电路收发机电路按照IEEE802.15.6标准中物理层窄带通信收发机标准设计，包括混合信号前端及调制解调前端。

本设计采用图2的零中频结构收发机，与传统超外差收发机相比只需要一次变频，结构简单具有较高集成度，符合体域网可穿戴设备小型化、便于携带的要求。

但是由于本振频率较高，需要性能较高的压控振荡器及频率合成器，因此使用集成的零中频调制解调芯片MAX2837及混合信号前端芯片MAX19712。

MAX2837是一款零中频收发前端，包括压控振荡器（VCO）、晶体振荡器、频率合成器、混频器、低通滤波器、功率放大器及低噪声放大器等。

通过SPI接口配置内部寄存器。

内部资源丰富仅需要几个简单的外围元件即可以组成一个完整的电路。

MAX19712是超低功耗、高集成度的混合信号模拟前端（AFE），内置10位数模转换（DAC）及模数转换器（ADC），全双工工作模式，最大工作速度22 MHz，使用SPI接口配置寄存器。

考虑到平台功能的扩展性，基带数据接口按照高速信号布线规则设计[7]，以满足其他高速信号基带的验证需求。

1.2 电源管理电路由于线性稳压器（LDO）效率低、发热大、不符合体域网低功耗特点，本文选择使用开关电源（DCDC）进行电源管理。

系统前端使用9 V适配器供电，两款集成DCDC芯片产生3.3 V和2.85 V电压，分别为MAX2837和MAX19712供电。

图3为电源结构拓扑图。

2 验证需求分析针对体域网基带在可穿戴式设备的健康监测、疾病预防等方面的特殊应用，提出以下验证需求。

2.1 协议一致性验证根据ISO/OSI-IEEE802参考模型，节点间的通信过程即为PHY帧及MAC 帧的交换传递过程。

确保协议帧格式的一致是基带验证的基本需求。

(1)物理层协议帧物理层协议帧由物理层汇聚协议(PLCP)前导码、PLCP帧头和数据单元组成。

前导码用于接收机进行同步定时和载波偏移恢复。

PLCP帧头则包括能够成功译码的必要信息，如图4所示。

(2)MAC层协议帧MAC层帧由帧头、可变长度帧体及帧尾校验码组成。

帧头包含了控制和地址信息，帧体为所负载数据，帧尾为16位的CRC校验序列。

2.2 传输可靠性验证高可靠性的收发链路是体域网基带验证的基础，体域网可穿戴设备的健康医疗的特殊性也对收发可靠性提出了较高的要求。

通过分析发送和接收的射频信号和基带信号在时域及频域波形参数，验证其是否符合IEEE802.15.6窄带物理收发机标准。

2.3 多种健康信息服务质量验证穿戴式体域网设备主要用于人体生理信号数据的采集、传输，如体温、血氧、计步、血压、心率、心电等。

不同信号需要不同的传输速率。

表1列出了几项常用的人体生理信号传输速率。

验证平台需要模拟出不同速率的数据流，对信号接收延时及成功收包率进行统计，得出基带对多种信号的服务质量（QoS）。

3 体域网数据流状态机根据上述需求，本文针对体域网基带SoC设计了一个基于FPGA的体域网数据流状态机状态机，作为验证的综合激励信号发生单元，如图5所示。

4 上位机软件为了显示收发数据、确定参考时间，便于计算成功收包率及延时，并对验证过程进行实时的跟踪，本文设计了基于LabVIEW的上位机人机交互程序。

图6为软件流程图。

5 结果与分析5.1 传输可靠性验证验证时发送固定的二进制数序列“00001111000101-0111011”，测量信号时域及频域信号参数。

图7为发送的射频和基带信号，图8为射频信号的频谱，图9为载波的频谱。

接收端解调后的基带信号如图10所示，经比较可知，信号与发送的一致。

表2为具体收发性能参数。

5.2 多种健康信息服务质量验证在不同速率下发送长度固定的100个连续数据。

使用上位机对收发数据比较，得出成功收包率及延时。

经过多次测量计算平均值，得出表3结果。

结果表明数据发送速率越高，其成功收包率越低。

接收延时随着发送速率增加呈减小趋势，但变化不明显。

6 结束语本文针对穿戴式健康SoC的设计验证需求，设计并实现了一套集成有硬件系统、含穿体域网数据流状态机、支持IEEE802.15.6基带信号信号采集的IP及上位机用于控制、跟踪的测试软件。

该平台针对自主开发的IEEE802.15.6基带信号处理IP核进行了大量的测试验证，基本满足了体域网基带芯片的设计验证需求。

同时也可以扩展应用到其他近距离无线通信芯片的设计验证应用中。

3WBAN的发展前景展望及面临的挑战3.1WBAN发展前景展望 WBAN有着广阔的应用前景，其未来发展趋势有以下几个方面：1）无线体域网应用的多样化。

体域网最初应用于医疗保健、身体康复领域，近年来已逐步向其他领域发展，在娱乐，体育运动，军事，建筑等领域都有广泛的应用。

目前已有的无线交互舞蹈表演系统，运动反应时的测量系统、战士生理状态监控及救助、真实环境下防跌倒监都是比较成功的例子。

2）无线体域网与生物科技、多种通信技术及组网技术的紧密结合。

第七届无线体域网国际会议要点提出，要从分子到微观层面对体域网进行讨论，另外，超宽带（UWB）作为一种重要的近距离通信技术，WAN上也拥有广阔的发展空间。

3）体域网的规范化。

2012年，推进近距离无线通信标准化的美国IEEE的802.15工作组正式批准了由人体周边配置的各种传感器及器件构筑的近距离无线网络的标准“IEEE802.15.6”。