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

1、面對(duì)日益迫切的國(guó)民健康需求，研究低成本、可穿戴、可無(wú)縫融入日常生活、不受限于時(shí)間與地點(diǎn)的醫(yī)療監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用至關(guān)重要。無(wú)線體域網(wǎng)WBAN(Wireless Body Area Network)是由一系列低功耗、微型化、輕量級(jí)、可置于體表或植入體內(nèi)、可提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、具備無(wú)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(cè)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(gè)人醫(yī)療數(shù)據(jù)的隱私性與安全性等諸多核心問(wèn)題，因

2、此本文針對(duì)WBAN的MAC層關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究。
　　本文按照MAC層“理論建?！鷧f(xié)議設(shè)計(jì)→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(píng)估模型，低能耗、高時(shí)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(jì)，以及基于Fuzzy Commitment的MAC層輕量級(jí)密鑰協(xié)商協(xié)議設(shè)計(jì)三方面，對(duì)面向醫(yī)療監(jiān)測(cè)的無(wú)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(jì)算技術(shù)為支撐

3、的實(shí)時(shí)醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)對(duì)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(duì)基于IEEE802.15.6 CSMA/CA的WBAN MAC協(xié)議進(jìn)行性能評(píng)估的分析模型。模型采用三維離散馬爾科夫鏈來(lái)模擬非飽和狀態(tài)下無(wú)線體域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的回退機(jī)制，通過(guò)求解馬爾科夫鏈得到不同優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)列，得到穩(wěn)態(tài)時(shí)

4、緩存中的數(shù)據(jù)包隊(duì)列分布;基于概率母函數(shù)和利特爾法則，分別計(jì)算出數(shù)據(jù)包的平均服務(wù)時(shí)間和平均排隊(duì)時(shí)延，進(jìn)而得到數(shù)據(jù)包的平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)吞吐量;通過(guò)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，得到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能效。通過(guò)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(duì)非飽和條件下的無(wú)線體域網(wǎng)MAC協(xié)議性能進(jìn)行有效評(píng)估。
　　(2)以無(wú)線體域網(wǎng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)為應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種混合型媒體接入?yún)f(xié)議(I-MAC)。通過(guò)對(duì)超幀結(jié)構(gòu)與時(shí)隙分配的設(shè)計(jì)改進(jìn)，I-MAC

5、可提高能量利用效率與時(shí)隙利用效率，并同時(shí)能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與可靠性要求。I-MAC采用較長(zhǎng)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(shí)隙分配為GTS時(shí)隙，以滿足傳輸周期性醫(yī)療監(jiān)測(cè)應(yīng)用所產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)的帶寬需求;針對(duì)隨機(jī)緊急監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，特殊設(shè)計(jì)了中斷時(shí)隙進(jìn)行傳輸并保證這些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)隙利用率均高于802.15.4，且同時(shí)能夠滿足數(shù)據(jù)的時(shí)延要求;當(dāng)每

6、個(gè)中斷周期內(nèi)的隨機(jī)性醫(yī)療監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量小于1時(shí)，I-MAC協(xié)議可顯著提升無(wú)線體域網(wǎng)的性能，對(duì)于具有低非周期性隨機(jī)數(shù)據(jù)的無(wú)線體域網(wǎng)，協(xié)議也具有良好的性能。
　　(3)對(duì)體域網(wǎng)中基于噪聲生理信號(hào)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(shì)和劣勢(shì)，并根據(jù)各自的特點(diǎn)進(jìn)行了細(xì)化分類。對(duì)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(duì)比分析，指出對(duì)

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(hào)的輕量級(jí)MAC層密鑰協(xié)商協(xié)議。在該協(xié)議的初始化階段，通過(guò)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(cè)的新型攻擊方式;在密鑰協(xié)商階段，利用時(shí)間窗機(jī)制實(shí)現(xiàn)了噪聲生理信號(hào)的弱同步，避免了精確時(shí)間同步所帶來(lái)的巨大能耗;采用了“以計(jì)算能耗代替?zhèn)鬏斈芎摹钡乃悸?，利用?jiǎn)單的比特級(jí)運(yùn)算避免了

8、由于生理信號(hào)噪聲造成的密鑰協(xié)商失敗所帶來(lái)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?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，通過(guò)詳細(xì)的軟硬件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)的研究，構(gòu)建了以無(wú)線體域網(wǎng)為支撐的實(shí)時(shí)醫(yī)療監(jiān)測(cè)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(jì)完成的智能云健康檢測(cè)儀為智能協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)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(cè);數(shù)據(jù)經(jīng)智能處理后