Сети ban: разработка и стандартизация Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПРАКТИКА

И ч

ва

ass

sss

as

а

ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Сети B

разработка и стандарти

■/

Пия

Мониторинг в реальном масштабе времени жизненно важных параметров и различных сигналов, исходящих от тела человека, имеет огромное значение для эффективного контроля состояния его здоровья и предупреждения болезней. Сеть передачи объективных данных этих параметров (Body Area Network - BAN) обеспечивает беспроводную связь между различными малогабаритными измерительными устройствами и датчиками, размещенными внутри и на поверхности тела человека.

Рабочая группа 6 (TG6) Комитета по стандартизации сетей LAN/MAN Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) с 2007 г. работает над стандартом BAN 802.15.6 и спецификациями сети, единых для использования во всех странах мира. Разработку данного стандарта планировалось завершить до конца 2011 г. Национальный институт информатики и коммуникаций Японии (NICT) представил в IEEE важные предложения, внес значительный вклад в деятельность TG6 и разработал ряд систем для сетей концепции BAN.

В данной статье дается краткий отчет об участии NICT в разработке стандарта IEEE802.15.6 и представлен прототип сети BAN, созданный в лабораториях NICT. Он базируется на технологии ультраширокополосной радиосвязи (UWB), использующей широкополосный участок UWB-диапазона радиочастот (3-10 ГГц), который закреплен в Японии за стандартными домашними системами беспроводной связи.

Работа над стандартом IEEE 802.15.6

В отделении института IEEE под индексом 802 LMSC действуют несколько рабочих групп, в частности: группа WG802.11, работающая над стандартизацией беспроводных региональных сетей (WLAN); WG 802.15, специализирующаяся в области персональных сетей (WPAN); WG802.16, работающая над стандартизацией беспроводных

городских сетей (\MVIAN). Группа Мв6 была зарегистрирована под индексом Мв802.15 в декабре 2006 г. В дальнейшем деятельность группы Мв6 заключалась в следующем:

^ декабрь 2007 г. - формальное утверждение и организационное оформление группы Мв6;

^ ноябрь 2008 г. - выпуск обращения к телекоммуникационной общественности на предмет подачи предложений;

^ март-май 2009 г. - презентация 34 формализованных предложений для проекта стандарта;

^ март 2010 г. - соглашение об объединении всех 34 предложений в единый проект стандарта;

^ июль 2010 г. - публикация первой редакции проекта стандарта (draft 01) и первая процедура голосования по проекту;

^ январь 2010 г. - публикация второй редакции проекта стандарта и вторая процедура голосования по проекту;

^ май 2011 г. - публикация третьей редакции проекта стандарта и третья процедура голосования по проекту. Упомянутые выше процедуры голосования осуществляются по переписке и являются рутинной и формальной процедурой международных организаций по стандартизации, с помощью которой мнения и комментарии, касающиеся проекта стандарта, запрашиваются у голосующих членов группы WG802.15. Проект стандарта корректируется и дополняется в каждом сопроводительном письме к бюллетеню для голосования. К середине прошлого года завершился третий этап голосования, и проект стандарта был подготовлен для последующей процедуры утверждения.

В этот проект были включены спецификации трех протоколов физического уровня (PHY) и одного унифицированного протокола управления доступом к среде передачи (MAC). Предложения о включении трех протоколов PHY учтены в проекте по требованию ряда отраслевых регуляторов. Они соответствуют отраслевым нормативным документам

42

век| КАЧЕСТВА № 1/2 • 2012

5

HG

ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРАКТИКА

□ С G

ряда стран и техническим требованиям производителей оборудования.

В данной статье подробно рассматривается только один из протоколов - UWBPHY (табл. 1). Два других - это узкополосный PHY и интерфейс связи с датчиками на теле человека - (HBC) PHY. В двух из трех интерфейсов технологии UWB PHY используется импульсный метод ультраширокополосной радиосвязи (IR-UWB). Различие между ними состоит в том, что первый интерфейс использует обычную импульсную манипуляцию, а второй - двукратную или квадратурную фазоразностную манипуляцию (DBPSK/DQPSK). Интерфейс с методом передачи информации более ранней разработки

Таблица 1. Проект спецификаций на интерфейс UWB

Технология передачи Модуляция Скорость передачи, Мбит/с Форма сигнала

IR-UWB (1) OOK 0,49-15,6 Чирп-импульс, шумоподобный импульсный сигнал, псевдослучайный широкополосный импульсный сигнал

IR-UWB (11) DBPSK/DQPSK

FM-UWB CP-2FSK, комбинированная с FM <0,25 Треугольная (в режиме молчания), пилообразная, синусоидальная

Таблица 2. Методы канального доступа

Метод канального доступа Таймирование передачи (суперфреймовая структура) Регистрация ошибок Примечание

1 Да Есть Координатор посылает сигнал подтверждения или сигнал ошибки для каждого суперфрейма, за исключением неактивного

11 Да Нет Координатор осуществляет привязку ко времени передаваемых данных, но не посылает сигнал ошибки

111 Нет Нет Привязка ко времени передаваемых данных отсутствует

Рис. 1. Типовые опытные образцы сетевых устройств BAN

обеспечивает низкую стоимость передающих устройств, тогда как интерфейсы, использующие сложный ме-

тод передачи более поздней разработки, - лучшие характеристики передачи. Третий же метод передачи тех-

нологии FM-UWB является для интерфейсов дополнительной опцией,однако он не обеспечивает независимость концентратора сети BAN от специфических характеристик самих интерфейсов. Интерфейс типа FM-UWB использует две разновидности частотной манипуляции или обычную частотную модуляцию (FM), которая, как правило, применяется в системах передачи небольшой сложности. Скорость передачи систем IR-UWB находится в пределах от 0,49 до 15,6 Мбит/с, тогда как для систем FM-UWB характерна скорость передачи всего 0,25 Мбит/с.

Что касается спецификаций интерфейса MAC, то в стандарт введены оба варианта доступа: цифровой, основанный на кадровой структуре информации, и потоковый со структурой информации, не предусматривающей деления на кадры. Второй тип структуры предназначен для коротких и низкопроизводительных циклов радиосвязи, которые применяются в устройствах, встроенных в сложные системы, и в имплантированных датчиках с целью сиг-

Микропроцессорный блок

Блок преобразований в основной полосе

Радиочастотный блок

Интерфейс

управления

канальным

доступом

Контроль ошибок (16 знаков)

Формирование

кадров

физического

уровня

О

Передатчик, работающий по принципу «первый вошел -первый вышел»

Приемник, работающий по принципу «первый вошел -первый вышел»

Модулятор

Узел сборки серий

Демодулятор

Узел

разборки

серий

Рис. 2. Блок-схема ультраширокополосного приемопередатчика

№ 1/2 • 2012 ВЄК КАЧЕСТВА

43

ПРАКТИКА

И ч

ва

ваа

ваа

аа

в

ИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ ИСТОЧНИКОВ

ЭКГ

Пульс на сонной артерии

Вес

Статус сетевых устройств

'■V

biiw О ** і

«ля ти

а»

{t ■ а я я

■ ■ т г

If"* ■ ■ я я

«гк я я я я

тя

нт

ч Э*в

»* I

хГ

Я ТШІТ.» іЧ

• ЛІ

• Л|

It • ЛІ

Тревожный сигнал падения человека

Рис. 3. Мониторинг в реальном масштабе времени с помощью персонального компьютера

нализации, оповещения и т.д. Три метода канального доступа, основанных на двух типах структур передаваемой информации, представлены в таблице 2.

Для защиты информации проектом стандарта определены два алгоритма шифрования: 128-битный стандарт шифрования AES (Advanced Encryption Standard) и 128-битный алгоритм шифрования Camellia. Последний алгоритм широко распространен в Японии.

Прототип сети BAN на базе технологии ультраширокопо-лосной радиосвязи

Основная причина использования UWB-технологии в сетях BAN состоит в том, что сетевые устройства работают от батарейных источников питания и должны иметь небольшие габариты. Поэтому низкая потребляемая мощность является основным требованием к сети BAN. Технология радиопередачи UWB по своей природе обладает крайне низкими характеристиками потребления энергии от источников питания. Кроме того, уровни излучаемой мощности должны быть предельно низкими из-за ограничений, накладываемых регулятором. Поэтому влияние радиоизлучения от сети BAN на жизненно важные органы человека можно считать пренебрежимо малым.

Экспериментальный образец сети BAN, созданный в лабораториях NICT, состоит из центрального блока, трех сенсорных устройств и приемного узла. Изображения типичных устройств сети BAN представлены на рис. 1. Центральный блок сети (hub), который крепится на поясном ремне одежды человека подобно шагомеру, управляет структурой сети и распределением каналов по се-

тевым устройствам. В него также встроен трехмерный сенсор для контроля позы и осанки владельца. Устройства типа наручных часов снабжены сенсорами, измеряющими такие важные показатели физического состояния человека, как, например, пульс. Устройство подвесного (брелкового) типа комбинируется с ЭКГ-сенсором. Еще одно сетевое устройство, контролирующее вес человека, закреплено на обычных весах, установленных в ванной комнате, и соединено радиоканалом с приемным блоком сети BAN. Приемный узел сети является устройством фиксированного типа, которое соединено с компьютером, осуществляющим мониторинг регистрируемых параметров.

Таким образом, вся передаваемая сетью информация сначала агрегируется в центральном узле, а затем передается в приемный узел. Все данные отображаются на ПК с помощью специально разработанной компьютерной графики, предназначенной для реализации мониторинга состояния человека в реальном масштабе времени.

Все сетевые устройства имеют одну и ту же структуру, включающую радиочастотный модуль RF, устройство BB board, обеспечивающее передачу комплексного сигнала в основной полосе (base band) и микропроцессорный блок MPU (рис. 2). Радиочастотный блок, встроенный в сетевое устройство, генерирует ультраширокополосный радиоимпульс, спектр которого лежит в полосе 7,25-10,25 ГГц. Блок ВВ board осуществляет модуляцию и демодуляцию, а также другие преобразования сигнала в основной полосе, тогда как блок MPU осуществляет преобразования сигнала, необходимые для

сопряжения с интерфейсом МАС. Все устройства осуществляют доступ к каналам сети с помощью технологии передачи TDMA, которая базируется на кадровой структуре передачи сигналов. Каждый кадр стартует с помощью разграничивающей сигнальной комбинации, за которой следуют 16 временных интервалов (слотов), обеспечивающих контроль ошибок. Центральный узел посылает стартовую комбинацию перед каждым кадром для обеспечения синхронизации, а также слот занятия того или иного сетевого узла или устройства. Каждый сетевой узел использует предписанный ему временной интервал для связи с центральным узлом. Для сокращения потребляемой мощности сетевое устройство отключается от своего источника питания после завершения обмена данными с центральным узлом.

На рис. 3 показан типовой экран монитора ПК. Измеряемая электрокардиограмма (ЭКГ) дополняется на экране монитора изображением пульса, снятого с сонной артерии. Вес тела отображается на экране монитора, как только весы, установленные в ванной комнате, подключаются к сети. Кроме того, отображается визуальная и подается звуковая тревожная сигнализация, как только измеряемая характеристика состояния человеческого тела превысит допустимое значение. На рис. 3 тревожный сигнал отображен потому, что сенсор, прикрепленный к ремню обследуемого человека, фиксирует его падение.

Заключение

Приведенный выше материал в краткой форме знакомит читателя с устройством сети сбора информации о состоянии тела человека - BAN и стандартом на эту сеть IEEE802.15.6 Создан опытный образец сети BAN, базирующейся на технологии ультраширокополосной радиосвязи UWB. Хотя прототип сети в статье не детализирован, тем не менее его основные характеристики удовлетворяют указанному выше стандарту и государственным нормативам Японии.

Поскольку эффективность BAN заключается в непрерывном мониторинге жизненно важных показателей физического состояния человека, то, по мнению специалистов, такие сети будут играть большую роль в здравоохранении, спорте и некоторых других областях деятельности человека. Японские ученые и инженеры продолжают работать как в области стандартизации сетей BAN, так и в области совершенствования самой сети и входящих в нее систем и устройств. ■

По материалам журнала New Breeze

44

ВЄК| КАЧЕСТВА № 1/2 • 2012