Challenges in Body Area Networks for Healthcare: The MAC Mathieu Castets Réseaux Haut-Débit et Qualité de Service Challenges in Body Area Networks for Healthcare: The MAC Athanassios Boulis David Smith and Dino Miniutti Lavy Libman and Yuriy Tselishchev

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

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

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

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 Au niveau medium access control Taille des batteries Un signal d’urgence perdue peut faire la différence entre la vie et la mort Atténuation jusqu’à 100 dB observé Interférences : hub centralise mais probleme si plusieurs personne qui portent des capteurs interagissent entre elles

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 wireless personal area networks Flexible : appareil de santé comme les implants, appareil de divertissement comme lunettes videos

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 Narrowband (bande étroite), ultra-wideband (UWB) Ultra Large Bande, and human body communication (HBC).

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 the hub/coordinator can inform sensor nodes that they have been granted one-off exclusive time slots to transmit or receive information Chaque appareil n’a pas besoin de tout implémenter, ce qui donne de la flexibilité au constructeur pour choisir l’option qui remplira ses objectifs, cout…

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 ? Protocoles d’échanges pour accomplir de simple tasks : ACK, etc… Il reste des questions en suspens Je vais donc vous présenter 4 techniques sur MAC pour améliorer la fiabilité et la gestion de l’énrgie de IEEE 802.15.6

Propositions d’amélioration Allocation 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 : « opportunistic scheduling » Requiert que le nœud soit constamment disponible pour communiquer Contredit la philosophie d’économie d’énergie Par exemple, savoir qu’une tentative de transmission vient d’échouer nous fait penser que transmettre à nouveau dans l’immédiat ne vaut pas le coup Contredit la philosophie des appareils BAN qui sont en veille la plupart du temps et qui ne reveille que pour écouter des beacons et transmettre des data

Propositions d’amélioration Allocation 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 On collecte des info de la superframe précédente pour ordonnancer la superframe suivante

Propositions d’amélioration Allocation dynamique de slot (Graphe) Graph : The Flipping scheme can reduce packet loss by up to 17 percent compared to static allocation, and does not expend any additional energy.

Propositions d’amélioration Ordonnancement 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 Une méthode consiste à allouer des slots à la fin de chaque superframe pour les retransmissions

Propositions d’amélioration Ordonnancement des retransmissions (graphe) La technique de retransmission adaptative surpasse la technique statique surtout quand le plafond énergie est bas Highly volatile qui retrouve plus de paquets car il y a plus de probabilités que le lien passe de MAUVAIS à BON dans le délai imparti

Propositions d’amélioration Utilisation 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 Retransmission utile que si le temps de perte du signal est inférieur au temps limite imparti pour la livraison d’un paquet (position pendant la nuit par exemple) Comment le hub décide qu’un noeuf a besoin d’un relay (plutôt que de retransmettre) ? Quelle nœud choisir ?

Propositions d’amélioration Gérer 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

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, … Pleins d’autres techniques possibles mais qui seront dédié à un appareil particulier

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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