收稿日期：2012-07-05；修回日期：2012-08-24基金项目：国家自然科学基金资助项目（30971689）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（JUSRP21129）作者简介：卢先领（1972-），男，浙江临海人，副教授，硕导，博士，主要研究方向为无线传感器网络、体域网（jnluxl@gmail．com ）；彭能明（1987-），男，湖北荆门人，硕士研究生，主要研究方向为无线体域网节能策略；陆胜男（1990-），女，江苏靖江人，硕士研究生，主要研究方向为功率控制；徐保国（1951-），男，江苏淮阴人，教授，博导，主要研究方向为过程控制、智能仪表及现场总线．无线体域网节能策略综述*卢先领a ，b ，彭能明a ，b ，陆胜男a ，徐保国a（江南大学a．物联网工程学院；b．轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡214122）摘要：作为无线传感器网络的一个重要分支，无线体域网因其便携、可移动的特点受到各个领域的广泛关注。
然而，节点难以得到充电或替换使得能耗问题日益凸显。
针对节点能量受限问题，在简要介绍无线体域网结构和特点的基础上，结合已有的研究，分别从物理层、MAC 层和网络层等方面分析并总结了已有的节能策略。
最后，根据应用需求，提出了几点研究设想。
关键词：无线体域网；能量受限；生命周期；节能策略中图分类号：TP929．5文献标志码：A文章编号：1001-3695（2013）02-0325-05doi ：10．3969/j．issn．1001-3695．2013．02．002Survey of energy-efficient strategy for wireless body area networkLU Xian-ling a ，b ，PENG Neng-ming a ，b，LU Sheng-nan a ，XU Bao-guo a（a．School of Internet of Things Engineering ，b．Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry of Ministry of Education ，Jiang-nan University ，Wuxi Jiangsu 214122，China ）Abstract ：As an important branch of the wireless sensor networks ，wireless body area network has aroused extensive attentionin various fields for its portable and mobile features．However ，that the nodes are difficult to recharge or replace makes the energy issues become increasingly important．To solve this problem ，this paper briefly introduced the architecture and features of wireless body area network．Next ，combining with the existing researches ，it analyzed and summarized some energy-efficient strategies from physical level ，media access control level and network level ，respectively．Finally ，taking account of applica-tion requirements ，it put forward several future research directions．Key words ：wireless body area network （WBAN ）；energy constrained ；lifetime ；power-saving strategies0引言无线体域网（WBAN ）又称体域传感网（body area sensor net-works ，BASN ）［1］，是一种以人体为中心，由和人体相关的网络元素等组成的通信网络，能够通过置于人体周围或人体内部的各种传感器节点对人体的一些重要生理参数（如体温、血压、心率、血氧浓度等）或人体周围的一些环境参数（如温度、湿度、光照强度等）进行感知和采集，继而通过无线的方式发送到人体附近的基站（base station ，BS ）或移动单元（mobile unit ，MU ），最后通过Internet 上传到终端服务器进行分析和处理，如图1所示。
WBAN 涉及多类学科的高度交叉和多种知识的高度融合，综合了传感器、微机电系统（micro-electro-mechanism system ，MEMS ）、嵌入式计算、数据融合（data fusion ，DF ）、现代网络以及无线通信、分布式信息处理等技术，目前已被广泛应用于军事、娱乐、消费电子、智能家居、公共服务，尤其是医疗保健等领域［2］。
与传统的以数据为中心无线传感器网络（wireless sensor network ，WSN ）相比，WBAN 有着如下特点：a ）网络规模小。
研究表明，人体体表或体内大约可以部署10 20个各类传感器节点［3］，因此它不可能像WSN 那样，向目标区域随机部署大量的传感器节点，让它们以协作的方式完成对某一参数的采集任务，这样就增加了对单个节点数据处理能力和能耗的要求。
b ）能量高度受限。
对于植入体内的传感器节点很难替换和充电，即便是对可穿戴式的传感节点进行替换也是对人体有侵害性的，而且影响人体的舒适度［1］，这就要求每个传感器节点利用有限的能量最大限度地延长自身的生命周期。
c ）信号传输的衰减快，由于人体组织结构的特异性和阴影效应，信号传输过程中会造成极大的路径损耗［4，5］，这也就意味着WBAN 中通信所需要的能量要比同等规模的其他网络多得多。
d ）网络的异构性。
WBAN 中的每个节点因其功用不同而被部署在人体的特定位置，每个节点都以不同的频率和数据速率完成对不同目标参数的采集和发送，因此对单个节点的能耗要求更高。
e ）无线链路的时变性［6，7］。
WBAN 是以人体为中心的网络，人体姿势的轻微变化（尤其是人体四肢的活动）都会影响整个网络的拓扑结构，由此带来的通信中断而产生的数据重传以及网络拓扑的重构都会消耗大量的额外能量。
WBAN 的上述独特要求和制约因素为体域网的应用与研究提出了新的技术问题，如何高效利用体域网中节点的有限能量来延长整个网络的生命周期成为WBAN 的首要设计目标。
已有的研究综述分别就体域网的数据融合、情景感知、系统技第30卷第2期2013年2月计算机应用研究Application Research of Computers Vol．30No．2Feb．2013术［2］和网络结构、医疗保健、安全性以及通信模式等方面［7 9］给出了充分讨论。
本文主要针对WBAN 所面临的能量受限问题，结合已有的研究对WBAN 的节能策略进行了综合分析。
1WBAN 节能分析根据OSI /RM （open system interconnection /reference model ）的层次结构，WBAN 中节点的能耗主要分布在物理层、MAC 层和网络层，本文接下来将着重从以上三个层面对WBAN 的节能策略进行探讨，如图2所示。
2物理层节能2.1研究现状传感器是WBAN 感知部分的核心，微型化、低功耗、高精度、智能化、对人体无侵害是传感器应用于WBAN 的基本前提。
早期的研究主要侧重于传感器节点系统功率的管理或调度，如Sinha 等人［10］提出的动态功率管理（dynamic powermanagement ，DPM ）策略，根据处理器、内存、带A /D 转换的传感器以及无线收发单元的状态组合，将整个节点分为五种工作状态，在嵌入式操作系统的支持下进行切换，既满足了功能的需要，又降低了功耗。
Im 等人［11］提出了动态电压调节（dy-namic voltage scheduling ，DVS ）机制，它是一种基于负载状态来动态调节供电电压以减小系统功耗的节能策略。
虽然系统在低电压运行状态会消耗较少的能量，但是一直处于低电压运行状态可能不适用于所有的WBAN ，因为低电压会减缓电路运行速度，无法满足对某些关键信息的实时性要求。
WBAN 的负载时延和吞吐量等服务质量（quality of service ，QoS ）在处理实时数据或模式改变的情况下会发生变化。
DVS 可以在给定的应用要求下最小化电源电压，但当系统处于高性能模式下时，系统将以高电压运行而产生较高的能耗。
随着嵌入式技术和MEMS 的发展，对于传感器节点的节能设计开始偏向于超低功耗硬件（如高性能的处理器、转发器和天线等）的设计。
Zhang 等人［12］针对WBAN 应用中的特定要求，对定制硬件和商业现成（commercial off the shelf ，COTS ）的设计在计算与通信、灵活性与有效性以及数据保真度与能耗之间进行了权衡比较。
结果表明，在要求生命周期超过1 2周的特定应用中，定制的集成电路总是能够比COTS 提供更高的能量效率；而对于那些寿命短（如几天或更少）但可充电的系统，COTS 能为大部分WBAN 的应用场合提供合理的尺寸、性能及寿命。
此外，Gu 等人［13］提出并设计了一种基于ISM （in-dustrial scientific medical ）频段的低功率、低电压、高集成度、高性能的转发器，在满负荷工作条件下，电流消耗仅为5mA 。
而对于天线的设计，主要应考虑以下三个要素：反向辐射小、结构紧凑、与人体之间的相互影响小。
如Verbiest 等人［14］设计了一种微型化、低成本的印制单极天线，在人体体表显现了较好的节能效果，但天线的工作频率、带宽及发射效率容易受到人体的干扰。
为此，Kang 等人［15］提出了一种折叠式的超带宽（ultra wideband ，UWB ）天线，它利用斜边结构来实现从3.1GHz 到12GHz 的超宽频带，仅对人体的邻近效应有略微的影响，而且其特定吸收率（specific absorption rate ，SAR ）要比单级全向天线小很多，节能效果更好。
2.2发展趋势上述的节能研究工作都是建立在传感器节点在既定能量基础之上的。