Challenges in Body Area Networks for Healthcare : The MAC

1. Mathieu Castets Réseaux Haut-Débit et Qualité de Service Challenges in Body Area Networks for Healthcare: The MAC AthanassiosBoulis David Smith and Dino Miniutti LavyLibman and YuriyTselishchev

2. Sommaire • Introduction • Body Area Networks • Défis • IEEE 802.15.6 • Propositions d’amélioration • Conclusion

3. Introduction • Soins de santé omniprésents • Collecte d’informations continue • Transmission • Système autonome sans fils • Fiabilité • Ponctualité

4. Body Area Networks • Technologie émergente • Un ou plusieurs capteurs • Appareil (« hub ») sur ou très proche du patient (smart-phone) • Réseau à longue portée

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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 ?

10. Propositions d’améliorationAllocation dynamique de slot • Objectifs : • Améliorer la fiabilité • Economiser l’énergie • 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 : « opportunisticscheduling » • Requiert que le nœud soit constamment disponible pour communiquer • Contredit la philosophie d’économie d’énergie

11. 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

12. Propositions d’améliorationAllocation dynamique de slot (Graphe)

13. 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

14. Propositions d’améliorationOrdonnancement des retransmissions (graphe)

15. 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

16. 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-holdscheme » 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

17. 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, …

18. 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 - KyungsupKwak(EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking 2012)

19. Avez-vous des questions ?