无线体域网信息传输机制研究与验证

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无线体域网(Wireless Body Area Network,WBAN)是以人体为中心,由放置在人体体表或体内的传感器节点以及相关设备组成的通信网络。WBAN可以实时采集体征数据,并通过无线网络传输到远程服务端,为用户提供生命体征监测和健康评估等多种服务。WBAN技术不但可以降低医疗成本,而且能够提高医疗服务质量和效率,从而有效缓解医疗资源短缺的问题。在实际应用中,体征数据的隐私性、差异性以及可穿戴(植入)设备的便携性、舒适性等,对WBAN节点的形态、体积、功耗、以及传输效率和传输安全性都提出了很高的要求。2012年,电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)工作组发布了WBAN的协议标准802.15.6,对WBAN的介质访问控制层(Medium Access Control,MAC)、物理层(Physical,PHY)和安全方案给出了相应的规范,促进了WBAN技术的发展。但是,如何基于该标准实现满足轻量化、高安全性、高可靠性要求的WBAN信息传输机制,并形成可以实际应用的WBAN专用传输芯片,是WBAN技术广泛应用所亟待解决的问题。本文以设计、实现并验证满足WBAN系统要求的专用传输芯片为研究目标,首先,对人体的不同姿态进行建模以研究WBAN信道的路径衰落,然后,基于IEEE802.15.6协议设计了低复杂度的物理层解调、同步等接收端方案,提出了基于概率计算的BCH译码方法,其次,设计了一种混合型MAC协议及自适应保护带算法,再次,实现了符合协议要求的硬件级安全方案及轻量化密钥更新方案,最后,对硬件模型进行了现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)实现和验证,搭建了测试平台对专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)芯片进行了验证。论文的主要研究内容包括:(1)针对在通信过程中体外信道特性对芯片性能的影响,对人体多种姿态进行建模,分析了站立、行走和跑步姿态时体外信道的路径损耗,结合实际测试的结果发现人体姿态的改变和运动状态的剧烈程度会影响体外信道的路径损耗,且路径损耗的波动和人体的行走步态是同步的。信道研究为基带模型提供了设计依据。(2)为实现芯片的传输功能需要设计一种符合WBAN要求的基带模型,根据WBAN协议中的窄带(Narrow Band,NB)物理层规范,设计了低复杂度的分组检测、符号同步、频偏估计等接收端算法,基于随机计算设计了一种高性能、低复杂度的BCH译码器。并在此基础上完成了WBAN基带模型的设计。(3)为解决芯片在通信过程中的传输能耗问题,设计了一种混合型MAC协议。利用所设计的复合超帧减少节点因与协调器频繁同步而被唤醒所消耗的能量,并提出了一种适用于该MAC协议的自适应保护带算法,使系统可以根据实际的时钟漂移自适应调节保护带的宽度。仿真分析结果表明设计的协议在能耗、占空比和网络生存周期方面都有较好的性能。(4)针对WBAN系统对安全认证以及数据加密的需求,为传输芯片设计了硬件级安全方案。首先,将哈希运算的消息认证码(Hash-based Message Authentication Code,HMAC)和安全散列算法(Secure Hash Algorithm,SHA)应用到WBAN设备的身份认证和消息完整性认证中。然后,利用椭圆曲线密码体制(Elliptic Curve Cryptography,ECC)生成共享密钥,并通过高级加密标准(Advanced Encryption Standard,AES)对WBAN中的数据进行加密。最后,对所设计的认证模块和加密模块进行硬件电路设计,实现了符合IEEE 802.15.6协议的安全方案。同时,为了提高WBAN系统的安全性,还设计了一种基于体征信息的轻量化密钥更新方案,并对其性能进行了仿真测试。(5)为了验证所设计的硬件模块,本文设计了基于软件定义无线电(Software Defined Radio,SDR)的WBAN测试平台,并利用该平台对所提出的硬件模块完成FPGA测试。然后,将经过测试的硬件模型制成40nm ASIC芯片,并进行功能和性能测试,结果证明设计的WBAN传输芯片能够实现信息的高效传输。总体来说,本文对WBAN专用传输芯片进行了系统的研究,提出了一种轻量化、低功耗、高安全性的WBAN传输芯片。论文的研究成果为WBAN的芯片设计以及广泛应用奠定了基础。
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