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ABSTRAIT

Dans les réseaux de capteurs de surface corporelle sans fil (WBASN), la fourniture de la qualité de service (QoS) pour les systèmes de surveillance des patients en termes de délais critiques, de débit élevé et d’efficacité énergétique est une tâche difficile. Les données périodiques de ces systèmes génèrent un grand nombre de petits paquets sur une courte période de temps qui nécessite un mécanisme d’accès efficace aux canaux.

La norme IEEE 802.15.4 est recommandée pour les appareils à faible puissance et largement utilisée pour de nombreuses applications de réseaux de capteurs sans fil. Il fournit un mécanisme d’accès au canal hybride au niveau de la couche MAC (Media Access Control) qui joue un rôle clé dans la transmission réussie globale dans les WBASN. Il existe de nombreux protocoles MAC de WBASN qui utilisent ce mécanisme d’accès aux canaux hybrides dans diverses applications de capteurs. Cependant, ces protocoles sont moins efficaces pour les systèmes de surveillance des patients où les données vitales nécessitent un délai limité, un débit élevé et une communication économe en énergie simultanément. Pour résoudre ces problèmes, cet article propose un schéma d’agrégation de trames en utilisant l’unité de données de protocole agrégé MAC (A-MPDU) qui fonctionne avec la couche MAC IEEE 802.15.4.

Pour implémenter le schéma avec précision, nous développons un mécanisme d’analyse des modèles de trafic pour comprendre les exigences des nœuds de capteurs dans les systèmes de surveillance des patients, puis modélisons l’accès au canal pour trouver l’écart de performance sur la base des exigences obtenues, enfin proposer la conception basée sur le besoins des systèmes de surveillance des patients. Le mécanisme est d’abord vérifié à l’aide de la modélisation numérique, puis la simulation est réalisée à l’aide de NS2.29, Castalia 3.2 et OMNeT ++. Le schéma proposé fournit les performances optimales compte tenu de la qualité de service requise.

TRAVAUX CONNEXES

Les protocoles MAC ont un rôle vital pour la fonctionnalité efficace des WBASN. Les protocoles de couche MAC efficaces pour les WBASN ont été un sujet de recherche brûlant ces dernières années. Dans le but de fournir une qualité de service spécifiée en termes de délai, de débit, de fiabilité et d’énergie, de nombreux efforts ont été déployés pour développer un nouveau protocole MAC amélioré basé sur les normes existantes, à savoir IEEE 802.15.4 et IEEE 802.15.6.

CONCEPTION PROPOSÉE

Figure 1. Mappage d’accès aux canaux des dispositifs biomédicaux pour CSMA / CA à fente dans un slot CAP

La figure 1 montre le scénario d’accès au canal pour un seul emplacement CAP. Les dispositifs de détection biomédicale génèrent des trames en fonction de leur intervalle d’échantillonnage indiqué dans le tableau 3 et tentent d’accéder au canal via le mécanisme de contention du CSMA / CA à fente. Lorsque les deux modes, c’est-à-dire CAP et CFP, sont utilisés ensemble, dans le mode CFP, les créneaux GTS sont attribués à des données périodiques importantes telles que l’ECG, l’EMG et l’EEG, tandis que d’autres nœuds qui nécessitent des bases d’événements ou des données d’urgence utilisent le mode CAP.

Figure 5. Mécanisme d’agrégation de trames

Cela aide à réduire les frais généraux, c’est-à-dire le temps d’attente avant un accès au canal réussi et une sous-utilisation de la capacité du canal. La figure 5 présente le mécanisme d’agrégation de trames en détail. Comme dans un seul canal, plusieurs trames d’accès sont transmises, ce qui signifie que nous envoyons plusieurs trames au prix d’un seul surdébit de trame avec un surdébit d’en-tête PHY moindre. De plus, l’agrégation de la trame sous un seul en-tête PHY utilise presque entièrement le canal. Dans la section suivante, nous présentons la conception proposée ainsi que son évaluation et sa validation.

ÉVALUATION, ANALYSE ET DISCUSSION DE LA PERFORMANCE

Figure 10. Comparaison des paquets reçus

La figure 10 présente l’analyse comparative des paquets reçus de 802.15.4 avec le 802.15.4 agrégé. L’objectif de l’évaluation est d’explorer la capacité de différents niveaux d’agrégations. Dans la simulation, pour le 802.15.4 agrégé, nous avons utilisé différents niveaux de trame, y compris Agg_2 802.15.4 (deux trames dans un A-MPDU), Agg_4 802.15.4 (quatre trames dans un A-MPDU) et Agg_6 802.15.4 ( six images dans un A-MPDU).

Figure 12. Analyse de la consommation d’énergie de l’agrégation avec les paquets reçus

Le scénario et les paramètres sont les mêmes que ceux mentionnés dans la figure 12. On observe que la consommation d’énergie augmente légèrement en augmentant le niveau d’agrégation mais dans le même temps le délai moyen de bout en bout diminue considérablement et passe en dessous de 250 ms, ce qui est recommandé pour dispositifs de détection biomédicaux dans des systèmes de surveillance de patients.

CONCLUSIONS

Visant les applications de surveillance des patients des WBASN, un mécanisme d’agrégation de trames a été proposé au niveau de la couche MAC dans cet article pour améliorer les mécanismes d’accès aux canaux ainsi que pour respecter des délais stricts, fournir des données fiables et répondre aux exigences d’efficacité énergétique en même temps. . Pour le système de surveillance des patients, nous avons sélectionné dix capteurs biomédicaux différents, dont un coordinateur, et les avons déployés dans une topologie en étoile. Les appareils comprennent l’ECG, l’EEG, l’EMG, l’accéléromètre, le gyroscope, l’oxymètre de pouls, la pression artérielle, la température, le baromètre et la surveillance de la fréquence cardiaque, etc.

Les capteurs collectent périodiquement des données du corps et les envoient vers la station de surveillance via le nœud de coordination. Les données périodiques, prioritaires et d’urgence exigent un ensemble différent de QoS lorsqu’elles sont intégrées dans un système de surveillance des patients. Pour relever les défis mentionnés, nous avons initialement fourni une analyse des modèles de trafic de ces appareils pour comprendre leurs besoins en matière de communication. À partir de l’analyse des modèles de trafic, il est observé que ces dispositifs de détection biomédicale génèrent de nombreux petits paquets en un temps limité.

La norme IEEE 802.15.4 prend en charge la taille de trame maximale jusqu’à 127 octets, dont 25 octets d’en-tête MAC et 102 octets de charge utile et une transmission de paquet réussie implique les frais généraux tels que le délai d’attente aléatoire, deux fois CCA, en-tête 802.15.4 avec chaque trame , SIFS et temps de transmission de l’acquittement. La taille maximale de paquet de ces dispositifs de détection biomédicale utilisés dans le système de surveillance de patient est de 17 octets pour une seule trame comprenant les en-têtes. Chaque trame contient le canal pour envoyer les données, donc un nœud qui gagne le canal transmet un petit paquet et pour la prochaine transmission de paquet, il doit à nouveau contenter le canal.

Par conséquent, lors de l’obtention d’un canal, un nœud utilise la capacité de taille de paquet maximale disponible qui est de 127 octets pour une trame MAC et ne transmet que 17 octets. Pour résoudre ces problèmes, nous avons utilisé le mécanisme d’agrégation de trames, qui enverra plusieurs trames MAC sous un seul en-tête PHY dans un seul accès au canal réussi. Le concept d’agrégation de trames fait une énorme différence dans les performances de débit et de retard en utilisant efficacement le mécanisme d’accès aux canaux.

Source: Université de Bournemouth
Auteurs: Muhammad Sajjad Akbar | Hongnian Yu | Shuang Cang

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