[论文解读] Ubiquitous HealthCare in Wireless Body Area Networks

Nauman Ali Khan, Nadeem Javaid+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2012

Wireless Body Area Networks参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文全面综述了用于普适医疗保健的无线体域网（WBAN）架构，分析了蓝牙、ZigBee、MICS和UWB等标准，并通过MATLAB仿真评估了体内和体表通信模型中的路径损耗。主要发现表明，路径损耗随频率和距离增加而增大，且与深层组织模型相比，近表层植入物到植入物的模型可将路径损耗降低多达15 dB。

ABSTRACT

Recent advances in wireless communications, system on chip and low power sensor nodes allow realization of Wireless Body Area Networks (WBANs).WBANs comprise of tiny sensors, which collect information of a patient's vital signs and provide a real time feedback. In addition,WBANs also support many applications including ubiquitous healthcare, entertainment, gaming, military, etc. Ubiquitous healthcare is required by elderly people to facilitate them with instant monitoring anywhere they move around. In this paper, we provide a survey on different architectures used in WBANs for ubiquitous healthcare monitoring. Different standards and devices used in these architectures are also discussed in this paper. Finally, path loss in WBANs and its impact on communication is presented with the help of simulations performed for different models of In-Body communication and different factors (such as, attenuation, frequency, distance etc) influencing path loss in On-Body communications.

研究动机与目标

• 分析并比较不同WBAN架构在普适医疗保健监测中的应用。
• 评估主要通信标准（蓝牙、ZigBee、MICS、UWB）在WBAN中的性能。
• 研究体内和体表通信场景中的路径损耗特性。
• 通过仿真量化频率、距离和组织类型对WBAN中信号衰减的影响。
• 为低功耗、实时、可靠的患者监测系统提供基础。

提出的方法

• 系统性地调研了WBAN架构，包括可穿戴设备和基于服务器的系统。
• 根据数据速率、功耗和在医疗保健应用中的适用性，评估了通信标准。
• 开发并仿真了四种体内路径损耗模型：深层组织到植入物、近表层到植入物，以及体表到植入物。
• 使用MATLAB仿真体表通信影响，分析了幅度衰减、相位失真和信号响应随频率与距离的变化。
• 应用简单的单极性非归零接地（NRG）信号数据，以模拟信道输出行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同WBAN架构如何支持普适医疗保健中实时、连续的患者监测？
• RQ2 主要通信标准（蓝牙、ZigBee、MICS、UWB）在WBAN环境中的性能权衡是什么？
• RQ3 不同体内通信模型（如深层组织与近表层植入物）的路径损耗有何差异？
• RQ4 频率和距离对体表WBAN中路径损耗、相位失真和幅度衰减的影响是什么？
• RQ5 信号畸变（如折射、衍射和反射）如何影响WBAN通信的可靠性？

主要发现

• 近表层植入物到植入物模型（模型3）相比深层组织植入物到植入物模型（模型1），路径损耗降低了15 dB。
• 近表层植入物到体表模型（模型2）相比参考模型（模型1），路径损耗减少了6 dB。
• 在2.4 GHz时，路径损耗高于900 MHz，因为频率与路径损耗呈直接关系。
• 在体表通信中，路径损耗随发射机与接收机之间距离的增加而线性增加。
• 在体表通信中，幅度衰减和相位失真均随频率升高而增加，导致信号质量下降。
• 信道输出随数据流波动，数据流中“1”比“0”多时输出更高。