Thèse soutenue

Hub sans fil pour l’intranet du corps humain

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Auteur / Autrice : Robin Benarrouch
Direction : Andreas KaiserAndreia Cathelin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
Date : Soutenance le 20/01/2021
Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Berkeley Wireless Research Center [Berkeley] / BWRC - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Entreprise : STMicroelectronics
Jury : Président / Présidente : Hakima Chaouchi
Examinateurs / Examinatrices : Andreas Kaiser, Andreia Cathelin, Jan M. Rabaey, Ove Edfors, Alvaro Araujo, Antoine Frappé
Rapporteurs / Rapporteuses : Adam Wolisz, Aziz Benlarbi-Delaï

Résumé

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Ce travail de doctorat a été mené dans le cadre du concept Human Intranet (HI), qui propose une infrastructure déployée sur le corps humain, permettant à différents types de nœuds de communiquer. La réalisation d'une telle plate-forme est complexe, notamment en termes de transmission du signal (ondes atténuées par le corps humain), de mouvements corporels, de débit maximum suffisant, d'architecture réseau fiable et de mécanisme de communication flexible, maximisant l'efficacité globale. Pour atteindre ces objectifs, une combinaison d'un mode de communication sans fil, compatible avec le corps humain et une stratégie de mise en réseau dédiée sont nécessaires. Ce manuscrit de thèse, propose d’utiliser une technique de communication utilisant le corps humain comme moyen de propagation. Le choix a mené à une caractérisation détaillée du canal, confirmée par les résultats expérimentaux. Il s’en est suivi une analyse de l'architecture du réseau, menant à une topologie hybride, en étoiles maillées. Finalement une synchronisation, basée sur les pulsations cardiaques et un protocole MAC, ont été proposés, bénéficiant du déploiement du réseau sur le corps.Plusieurs options de communication ont été étudiées et leur efficacité, dans le cadre de Human Intranet, analysée. Nous avons étudié certaines communications RF, ainsi que celles couplées au corps humain (BCC). Parmi les mécanismes de propagation BCC possibles, le couplage capacitif (C-BCC) était l'option la plus prometteuse, compte tenu des exigences de Human Intranet. Utiliser le corps humain comme moyen de communication offre de nombreuses caractéristiques intéressantes : sécurité, sûreté et efficacité énergétique. Cependant, le mécanisme de propagation et l'atténuation attendue n'étaient pas établis. Une caractérisation du canal a été menée, avec une étude théorique, des simulations électromagnétiques et des mesures sur le corps. Finalement, un prototype, alimenté sur batterie, a été mis en œuvre, confirmant les résultats de la caractérisation. Enfin, une fréquence de fonctionnement de 450 MHz a été choisie, pour son mécanisme dominant de propagation des ondes de surface, offrant un compromis entre l'atténuation, la sensibilité de l'environnement et la largeur de bande.Une architecture de réseau hybride en étoiles maillées, sur deux niveaux, a été proposée. Les types de nœuds composant le réseau, feuilles (couche inférieure) ou hubs (nœuds principaux), sont basés sur leurs capacités de calcul, leur statut dans le réseau, l'accès à l'énergie et la quantité de données générées. Alors que les hubs sont connectés de façon maillée (ou partiellement maillée), assurant robustesse et fiabilité, les feuilles sont liées à un hub unique, en tant que topologie locale en étoiles, ce qui réduit la complexité et améliore leur consommation d'énergie. Un schéma de communication « à perforation », permettant aux nœuds à faible trafic d'interrompre les échanges principaux de données en cours au sein du réseau proposé, a été envisagé.Un protocole MAC, associant un schéma de synchronisation basé sur le rythme cardiaque, avec le mécanisme de perforation, a été imaginé et permet la synchronisation des nœuds, en détectant le signal biologique, pour établir une structure à base de superframe. Son principe a été détaillé et son architecture matérielle, au niveau du système, a été présentée. Des modèles mathématiques, basés sur des équations ont été établis, y compris les éléments constitutifs des non-idéalités. Des simulations, au niveau du système, ont été effectuées et les résultats ont été comparés à une architecture radio-cyclique commune, selon trois paramètres majeurs : la latence, la disponibilité des canaux et la consommation d'énergie du système. Une amélioration de la consommation d'énergie jusqu'à 47% et un contrôle strict de la latence, ont été démontrés, sans frais sur la disponibilité des canaux.