CHALLENGES IN BODY AREA NETWORKS FOR HEALTHCARE: THE MAC

Athanassios Boulis

David Smith and Dino Miniutti

Lavy Libman and Yuriy Tselishchev

Mathieu CastetsRéseaux Haut-Débit et Qualité de Service

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SOMMAIRE

Introduction

Body Area Networks

Défis

IEEE 802.15.6

Propositions d’amélioration

Conclusion

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INTRODUCTION

Soins de santé omniprésents Collecte d’informations continue Transmission

Système autonome sans fils Fiabilité Ponctualité

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BODY AREA NETWORKS

Technologie émergente Un ou plusieurs capteurs

Appareil (« hub ») sur ou très proche du patient (smart-phone)

Réseau à longue portée

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DÉFIS

Centrés sur les communications du réseau sans fils entre le capteur et le « hub »

Utilisation intelligente de l’énergie Taille des capteurs

Fiabilité Atténuation Interférences Faible latence

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PRÉSENTATION DE L’IEEE 802.15.6

Bluetooth et IEEE 802.15.4 (WPAN) non adaptés pour répondre aux défis précédents

Standard créé en 2007

Flexibilité Vaste champ d’application

Encore à l’état de brouillon

Multiple modes d’exploitation de la couche physique

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PRÉSENTATION DE L’IEEE 802.15.6 (2)

En fonction du mode, plusieurs bandes de fréquences sont disponibles

Certaines applications fonctionnent mieux sur certaines fréquences Basses fréquences radio : moins d’atténuation Hautes fréquences radio : meilleur débit

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L’IEEE 802.15.6 PLUS EN DÉTAILS

Plusieurs modes d’accès possibles Le temps est organisé en superframes

délimitées par des beacons, envoyés par un coordinateur/hub. Ces superframes contiennent des slots.

TDMA (Time-Division Multiple Access) basé sur des intervalles de temps régulier

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Improvised Access : propre à 802.15.6.

Système de « polling/posting »

Mécanisme de veille pour économiser l’énergie

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IEEE 802.15.6 N’EST PAS ENCORE COMPLET…

L’IEEE 802.15.6 précise seulement les bases pour l’interopérabilité entre les appareils : format des paquets, protocoles d’échange, …

Comment gérer l’allocation des slots ?

Quand faut-il utiliser des relais ?

Quand faut-il retransmettre un paquet qui n’a pas été reçu ?

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONALLOCATION DYNAMIQUE DE SLOT

Mauvais signal entre hub et capteur : Perte de paquets Gaspillage d’énergie et d’un slot

Il faut trouver mieux que l’allocation statistique ou aléatoire

Dans les réseaux cellulaires, technique efficace : « opportunistic scheduling » Requiert que le nœud soit constamment

disponible pour communiquer Contredit la philosophie d’économie d’énergie

Objectifs :-Améliorer la fiabilité- Economiser l’énergie

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONALLOCATION DYNAMIQUE DE SLOT (2)

Utilisation d’un algorithme « flipping »

Les mauvais liens de la superframe précédente sont ordonnancés à la fin de la prochaine superframe

Les bons liens sont ordonnancés au début de la prochaine superframe, en inversant l’ordre de leur observation

On donne plus de temps aux mauvais liens de se remettre en état

On donne plus de chance aux liens en bons états

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONALLOCATION DYNAMIQUE DE SLOT (GRAPHE)

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONORDONNANCEMENT DES RETRANSMISSIONS

La plupart des applications médicales requièrent un taux de réussite de transmission de paquet très proche de 100%

Nécessité de retransmettre certains paquets Consomme de l’énergie

Technique d’ordonnancement qui prend en compte le « budget » énergie et alloue des slots de retransmission dans la superframe en fonction de l’état du lien

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONORDONNANCEMENT DES RETRANSMISSIONS (GRAPHE)

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONUTILISATION DE RELAIS

Retransmissions impossibles si le hub est hors d’atteinte (ex : hub posé à côté de la tête du patient durant son sommeil)

Possibilité de router via un nœud relai Coûteux puisque le relai doit rester éveillé

Ne répond pas à tous les problèmes

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PROPOSITIONS D’AMÉLIORATIONGÉRER LA PUISSANCE DE TRANSMISSION

Ajuster la puissance de transmission en fonction de l’atténuation Trouver un juste équilibre entre fiabilité et

consommation d’énergie

« Sample-and-hold scheme » tiré de D. Smith et al., “Simple Prediction-Based Power Control for the On-Body Area Communications Channel”

Tests effectués sur des usages de tous les jours Amélioration de la fiabilité Economie de 15% d’énergie

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CONCLUSION

Améliorations générales pour l’IEEE 802.15.6

D’autres techniques pourraient améliorer ce standard pour des applications plus spécifiques

Aucun point concernant la sécurité et certaines parties « floues »

Futur radieux des BANs car il existe des applications dans tous les secteurs : médical, sport, militaire, sécurité, …

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RÉFÉRENCES

Challenges in Body Area Networks for Healthcare: The MAC (IEEE Comm. Mag. Mai 2012)

Medium Access Control in Wireless Sensor Networks & challenges - Congduc Pham

Wifinotes : http://www.wifinotes.com/computer-networks/body-area-network.html

A power efficient MAC protocol for wireless body area networks - Kyungsup Kwak (EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012)

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