Wireless body area networks : co-channel interference mitigation & avoidance

par Mohamad Jaafar Ali

Thèse de doctorat en Informatique et réseaux

Sous la direction de Ahmed Mehaoua et de Hassine Moungla.

Soutenue le 09-09-2017

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Paris Descartes (établissement de préparation) et de Laboratoire d'Informatique Paris Descartes (laboratoire) .

Le président du jury était Marcelo Dias De Amorim.

Le jury était composé de Ahmed Mehaoua, Hassine Moungla, Marcelo Dias De Amorim, Hossam Afifi, Abderrezak Rachedi, Véronique Vèque.

Les rapporteurs étaient Hossam Afifi, Abderrezak Rachedi.

  • Titre traduit

    Planification des réseaux de capteurs médicaux sous contrainte d'optimisation de l'énergie


  • Résumé

    L’amélioration de la qualité et de l’efficacité en santé est un réel enjeu sociétal. Elle implique la surveillance continue des paramètres vitaux ou de l’état mental du sujet. Les champs d’applications sont vastes : l’application la plus importante est la surveillance des patients à distance. Les avancées en micro-électronique, capteurs et réseaux sans-fil permettent aujourd’hui le développement de systèmes ambulatoires performants pour le monitoring de paramètres physiologiques, capables de prendre en compte d’importantes contraintes techniques : forte intégration pour la réduction de la taille et faible consommation pour une plus grande autonomie [1]. Cependant, la conception de ce type de réseaux de capteurs médicaux WBANs (Wireles Body Area Networks) se heurte à un certain nombre de difficultés techniques, provenant des contraintes imposées par les capacités réduites des capteurs individuels : basse puissance, énergie limitée et faible capacité de stockage. Ces difficultés requièrent des solutions différentes, encore très embryonnaires, selon l’application visée (monitoring à but médical). La forte mobilité et le changement rapide de la topologie du réseau dévoilent un verrou scientifique et social. En outre, l’interférence de différents capteurs constituant le WBAN augmente la difficulté de la mise en place de ce type de réseaux. De nombreuses solutions dans la littérature ont été étudiées, comme nous allons illustrer dans ce manuscrit, néanmoins elles restent limitées. Nous nous intéresserons tout particulièrement à la gestion des interférences Intra- et Inter-WBAN, leur impacte sur la fiabilité des transmissions (des liens) et la durée de vie de ce type de réseaux. Plus précisément, nous abordons ces problématiques en se basant sur des modélisations théoriques et analytiques et avec une conception pratique des solutions proposées. Afin d’atteindre les objectifs cités ci-dessous, nous abordons quatre solutions : • Une gestion des interférences intra-WBAN • Une gestion coopérative des interférences Inter-WBAN • Une gestion non coopérative des interférences, Inter-WBAN • Une gestion des interférences WBAN dans un contexte IoT Dans la première partie de cette thèse et afin de répondre en partie aux problèmes de gestion des interférences Intra-WBAN. Nous présentons deux mécanismes pour le WBAN : (a) CFTIM qui alloue dynamiquement des slots et des canaux dit- stables (avec un taux d’interférences le bas possible dans le temps) pour réduire les interférences intra-WBAN. (b) IAA ajuste dynamiquement la taille du superframe et limite le nombre de canaux à 2 pour abaisser les interférences Intra-WBAN et ainsi économiser l’énergie. Une validation avec un model probabiliste est proposé afin de valider théoriquement l’efficacité de notre solution. Les résultats de la simulation démontrent l’efficacité du CFTIM et de l’IAA en termes de réduction de la probabilité d’interférence, l’extension de la durée de vie du réseau et l’amélioration du débit et de la fiabilité des transmissions. Notre seconde contribution, propose une gestion coopératives des interférences Inter-WBAN en utilisant des codes orthogonaux. Motivé par un approvisionnement temporel distribué basé sur la norme [2] IEEE 802.15.6, nous proposons deux solutions. (a) DTRC qui fournit à chaque WBAN les connaissances sur les superframes qui se chevauchent. Le second, (b) OCAIM qui attribue des codes orthogonaux aux capteurs appartenant à deux listes de groupe de capteur en interférences de deux WBAN différents (SIL). Les résultats démontrent qu’OCAIM diminue les interférences, améliore le débit et préserve la ressources énergétiques. La troisième partie nous a permis d’aborder la gestion des interférences, mais cette fois ci d’une manière non-coopérative en se basant sur l’affectation couple Slot/Canal. Plus précisément, nous proposons deux schémas basés sur les carrés latins. (...)


  • Résumé

    A Wireless Body Area Network (WBAN) is a short-range network that consists of a coordinator (Crd) and a collection of low-power sensors that can be implanted in or attached to the human body. Basically, WBANs can provide real-time patient monitoring and serve in various applications such as ubiquitous health-care, consumer electronics, military, sports, etc. [1]. As the license-free 2.4 GHz ISM band is widely used among WBANs and across other wireless technologies, the fundamental problem is to mitigate the resulting co-channel interference. Other serious problems are to extend the network lifetime and to ensure reliable transmission within WBANs, which is an urgent requirement for health-care applications. Therefore, in this thesis, we conduct a systematic research on a few number of research problems related to radio co-channel interference, energy consumption, and network reliability. Specifically, we address the following problems ranging from theoretical modeling and analysis to practical protocol design: • Intra-WBAN interference mitigation and avoidance • Cooperative inter-WBAN interference mitigation and avoidance • Non-cooperative inter-WBAN interference mitigation and avoidance • Interference mitigation and avoidance in WBANs with IoT Firstly, to mitigate the intra-WBAN interference, we present two mechanisms for a WBAN. The first is called CSMA to Flexible TDMA combination for Interference Mitigation, namely, CFTIM, which dynamically allocates time-slots and stable channels to lower the intra-WBAN interference. The second is called Interference Avoidance Algorithm, namely IAA that dynamically adjusts the superframe length and limits the number of channels to 2 to lower the intra-WBAN interference and save energy. Theoretically, we derive a probabilistic model that proves the SINR outage probability is lowered. Simulation results demonstrate the effectiveness and the efficiency of CFTIM and IAA in terms of lowering the probability of interference, extending network lifetime, improving throughput and reliability. Secondly, we address the problem of interference among cooperative WBANs through using orthogonal codes. Motivated by distributed time provisioning supported in IEEE 802.15.6 standard [2], we propose two schemes. The first is called Distributed Time Correlation Reference, namely, DTRC that provides each WBAN with the knowledge about which superframes overlap with each other. The second is called Orthogonal Code Allocation Algorithm for Interference Mitigation, namely, OCAIM, that allocates orthogonal codes to interfering sensors belonging to sensor interference lists (SILs), which are generated based on the exchange of power-based information among WBANs. Mathematically, we derive the successful and collision probabilities of frames transmissions. Extensive simulations are conducted and the results demonstrate that OCAIM can diminish the interference, improve the throughput and save the power resource. Thirdly, we address the problem of co-channel interference among non-cooperative WBANs through time-slot and channel hopping. Specifically, we propose two schemes that are based on Latin rectangles. The first is called Distributed Algorithm for Interference mitigation using Latin rectangles, namely, DAIL that allocates a single channel to a timeslot combination to each sensor to diminish inter-WBAN interference and to yield better schedules of the medium access within each WBAN. The second is called Channel Hopping for Interference Mitigation, namely, CHIM, which generates a predictable interference free transmission schedule for all sensors within a WBAN. CHIM applies the channel switching only when a sensor experiences interference to save the power resource. Furthermore, we present an analytical model that derives bounds on collision probability and throughput for sensors transmissions. (...)


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