Protocoles de communication pour les réseaux de capteurs corporels sans fil (WBAN)

Communication Protocols in Wireless Body Area Networks (WBAN)

• Auteur / Autrice : Wafa Badreddine
• Direction : Maria Potop-Butucaru
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/12/2018
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Thomas Noël
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lila Boukhatem, Claude Chaudet, Julien Sarrazin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : André-Luc Beylot, Nathalie Mitton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mouvements

Acquisition automatique des données

Réseaux de capteurs (technologie)

Réseaux corporels sans fils

Mots clés libres

Réseaux de capteurs corporels sans fil

Diffusion

Modèle de mobilité

Inter-couches

Collecte des données

Ordre FIFO

Wireless Body Area Network (WBAN)

Broadcast

Mobility

Multi-hop communication

Data Collection

FIFO order

Résumé

Dans les réseaux WBAN, les capteurs sont utilisés pour surveiller, collecter et transmettre des signes médicaux et d'autres informations sur le corps humain (EEG, ECG, SpO2, température, etc.) à un nœud principal qu’on appelle « Sink ». Il y a plusieurs préoccupations dans les WBAN, allant de la conception de protocoles de communication fiables et efficaces face à la mobilité du corps humain à une communication faible en consommation énergétique. Les WBAN diffèrent des réseaux de capteurs sans fil typiques à grande échelle et se caractérisent par une mobilité dans le réseau qui suit les mouvements du corps humain et une qualité des liens qui varie en fonction de la posture du porteur. Aussi, la puissance d'émission des capteurs est maintenue faible afin d'améliorer leur autonomie et de réduire l’exposition aux ondes électromagnétiques des porteurs. Par conséquent, compte tenu des effets d’absorption du corps, des réflexions et des interférences, il est difficile de maintenir un lien direct (à un saut) entre le « Sink » et les autres nœuds. La communication multi-sauts représente une alternative viable. Nous avons évalué essentiellement deux primitives de communication: broadcast et converge-cast. Nous avons implémenté différentes stratégies de communication avec le simulateur Omnet++ auquel nous avons intégré le projet Mixim et un modèle de canal réaliste pour un scénario représentatif d'un réseau WBAN. Ce modèle est issu d'une recherche récente de l'informatique biomédicale et décrit les liens entre 7 nœuds, qui appartiennent au même WBAN, et qui sont attachés au corps humain sur la tête, la poitrine, le bras, le poignet, le nombril, la cuisse et la cheville. Les atténuations du signal sur ces liens sont calculées pour 7 postures qui varient entre des positions statiques à fortement mobiles et sont présentées, pour chaque couple de nœuds, sous la forme d’une atténuation moyenne et d’écart-type. Ensuite, nous nous sommes intéressés au problème de broadcast dans WBAN. Nous avons analysé plusieurs stratégies de diffusion inspirées des réseaux DTN avec différents niveaux de connaissance du réseau: des stratégies de type flooding, où les nœuds diffusent les paquets à l'aveugle, et des stratégies basées sur la connaissance du voisinage, où la diffusion est plus contraignante. Nos résultats ont montré que les stratégies de diffusion existantes ne résistent pas face à la mobilité du corps humain et ne peuvent pas être transposées sans des modifications significatives dans un contexte WBAN. Ainsi, nous avons proposé deux nouvelles stratégies de diffusion qui surpassent les stratégies existantes en termes de latence, de couverture du réseau et de la consommation d’énergie des capteurs. Nous avons également analysé la capacité de toutes ces stratégies à assurer l’ordre FIFO (c'est-à-dire les paquets sont reçus dans l'ordre de leur envoi) en les stressant avec différents taux de transmission du nœud « Sink ». Sans exception, les stratégies de diffusion à plat existantes enregistrent une baisse drastique de performance lorsque le taux de transmission augmente. Ainsi, nous avons pu proposer le premier protocole de diffusion inter-couches MAC-réseau, CLBP. Notre protocole exploite la mobilité du corps humain en choisissant soigneusement les liens de communication les plus fiables dans chaque posture. De plus, notre protocole a un mécanisme d'attribution de slots qui réduit la consommation d'énergie, les collisions, l'écoute inactive et la sur-écoute des capteurs. Nous nous sommes également concentrés sur le problème de converge-cast dans les réseaux WBAN. Nous avons adapté à partir des réseaux DTN et WSN des stratégies converge-cast représentatives que nous avons classées en trois catégories: basées sur le modèle du canal, basées sur la diffusion et basées sur multi-chemins. Nous avons étudié trois paramètres: la résilience à la mobilité corporelle, le délai de bout en bout et la consommation d'énergie. [...]

The rapid advances in sensors and ultra-low power wireless communication has enabled a new generation of wireless sensor networks: Wireless Body Area Networks (WBAN). WBAN is a recent challenging area. There are several concerns in this area ranging from energy efficient communication to designing delay efficient protocols that support nodes dynamic induced by human body mobility. In WBAN tiny devices are deployed in/on or around a human body, are able to detect and collect the physiological phenomena of the human body (such as: EEG, ECG, SpO2, etc.), and transmit this information to a collector point (i.e Sink) that will process it, take decisions, alert or record. WBAN differs from typical large-scale wireless sensor networks WSN in many aspects: Network size is limited to a dozen of nodes, in-network mobility follows the body movements and the wireless channel has its specificities. Links have a very short range and a quality that varies with the wearer's posture. The transmission power is kept low to improve devices autonomy and reduce wearers electromagnetic exposition. Consequently, the effects of body absorption, reflections and interference cannot be neglected and it is difficult to maintain a direct link (one-hop) between the Sink and all WBAN nodes. Thus, multi-hop communication represents a viable alternative. In this work we investigate energy-efficient multi-hop communication protocols in WBAN. Our work is part of SMART-BAN Self-organizing Mobility Aware, Reliable and Timely Body Area Networks project. In order to evaluate our communication protocols described in the sequel in a specific WBAN scenario, we implemented them under the Omnet++ simulator that we enriched with the Mixim project and a realistic human body mobility and channel model issued from a recent research on biomedical and health informatics. We are interested in WBAN where sensors are placed on the body. We focus on two communication primitives: broadcast and converge-cast. For the broadcasting problem in WBAN, we analyze several broadcast strategies inspired from the area of DTN then we propose two novel broadcast strategies MBP: Mixed Broadcast Protocol and Optimized Flooding: -MBP (Mixed Broadcast Protocol): We proposed this strategy as a mix between the dissemination-based and knowledge-based approaches. -OptFlood (Optimized Flooding): This strategy takes into account the strengths and weaknesses of the basic strategy Flooding. Optimized Flooding is a revised version of Flooding whose purpose is to keep the good end-to-end delay given by Flooding while lowering energy consumption with the simplest way and the minimum cost. Additionally, we performed investigations of independent interest related to the ability of all the studied strategies to ensure the FIFO order consistency property (i.e. packets are received in the order of their sending) when stressed with various transmission rates. These investigations open new and challenging research directions. With no exception, the existing flat broadcast strategies register a dramatic drop of performances when the transmission rate is superior to 11Kb/s. There, we propose the first network-MAC layer broadcast protocol, CLBP, designed for multi-hop communication and resilient to human body postures and mobility. Our protocol is optimized to exploit the human body mobility by carefully choosing the most reliable communication paths in each studied posture. Moreover, our protocol includes a slot assignment mechanism that reduces the energy consumption, collisions, idle listening and overhearing. Additionally, CLBP includes a synchronization scheme that helps nodes to resynchronize with the Sink on the fly. Our protocol outperforms existing flat broadcast strategies in terms of percentage of covered nodes, energy consumption and correct reception of FIFO-ordered packets and maintains its good performances up to 190Kb/s transmission rates. [...]