Contribution au dimensionnement d’une liaison radio sur le corps humain

Généralités sur les réseaux de capteurs corporels (Body Area Networks ou BANs)

Définition L’acronyme BAN (Body Area Network) ou réseau corporel désigne un réseau sans fil touchant le corps humain ou situé dans son environnement immédiat (moins de 3 m) [2]. Selon le classement des réseaux, le BAN est le réseau dont la portée est la plus courte après le PAN (Personal Area Network) allant jusqu’à quelques dizaines de mètres [2]. Les éléments rayonnants constituant les nœuds d’un réseau BAN sont associés à des capteurs « intelligents » placés à l’intérieur du corps humain ou à sa surface. Ce sont des dispositifs de faible puissance, miniaturisés et légers, capables de communiquer avec d’autres nœuds du réseau et/ou vers un nœud externe. Les différents types de liaison constituant un réseau BAN sont spécifiés dans la section suivante.
Classification des réseaux BAN Dans la terminologie BAN, on note trois types de liaison possibles comme présentés sur la Figure 1.1 : In Body, On-body et/ou Off-body [6], [7].
 Liaison In-body (ou In/On body) : le capteur, placé à l’intérieur du corps communique vers un récepteur à proximité immédiate du corps.
 Liaison On body : les capteurs, placés à la surface du corps, communiquent entre eux.
La topologie du réseau de capteurs ainsi formé sur le corps peut être en étoile ou en maille. Pour une topologie en étoile, toute communication transite vers un nœud central ou nœud routeur. Ce nœud sert de relai vers au moins un nœud externe ou « coordinateur ». Tandis que pour une topologie en maille, plus d’un nœud peut communiquer vers un élément externe [8]. Pour les liaisons sans visibilité NLOS (Non-line Of Sight) ou à longue distance, l’utilisation de la technique “multi-saut » (exemple : liaison cheville – genou – taille) pour le routage des données peut s’avérer nécessaire pour établir la communication [9] ou pour réduire la consommation d’énergie ainsi que du taux d’erreur de paquets [10], [11].
 Liaison Off-body : comme les BANs servent pour un contrôle à distance, une partie de la communication est destinée à l’élément distant qui pourrait être le réseau mobile (téléphone) ou un réseau privé ou Internet. La communication entre deux individus connectés ou « body-to-body » fait aussi partie des BANs off-body [7].
Principaux domaines d’applications des BANs Le standard IEEE 802.15.6 classifie simplement les applications des BANs en médical et nonmédical, nous trouvons aussi la même classification dans [8]. Nous distinguons, pour notre part, plutôt trois grands domaines : santé et médecine, défense et sécurité, sport et loisirs. Dans le domaine médical, les BANs visent les services de soins, de réhabilitations physiques et le suivi physiologique des paramètres vitaux. Les soins incluent le diagnostic intelligent et le traitement thérapeutique à distance. Quant au suivi, il peut concerner les maladies chroniques, l’état de santé des personnes âgées ou s’agir d’un suivi post-opératoire. Parmi les applications médicales, on peut également compter l’assistance aux personnes handicapées avec un dispositif audio-visuel communicant comme présentée dans [2]. Par ailleurs, le remplacement, par des liaisons sans fil, des liaisons filaires entre les différents appareils de monitoring et le patient en salle d’opération [13] est aussi de plus en plus répandu, et améliore considérablement le confort du chirurgien et la sécurité du patient. En dehors des dispositifs cliniques, des capteurs communicants de signaux vitaux sont accessibles au grand public sous forme de dispositifs liés à la santé. Nous décrivons brièvement trois exemples présentés sur la Figure 1.3 :
– Le casque EEG (Electroencephalogramme) [14] permet entre autres l’évaluation de la qualité de sommeil.
– Le smartwatch intègre un capteur de température, un accéléromètre, un podomètre, un capteur ECG (Electrocardiogramme) et un tensiomètre [15]. Il est très utilisé pour le suivi des activités physiques et pour évaluer la qualité de sommeil.
– Le dernier capteur ECG, qui s’attache autour de la poitrine [16], peut détecter les signes avant-coureurs annonçant la survenue d’un malaise cardiaque [17]. Les informations collectées par tous ces capteurs sont envoyées via une connexion Bluetooth vers un appareil mobile tel qu’un smartphone muni d’une application dédiée à leur lecture et à leur analyse. Ces dispositifs peuvent être vus comme des « gadgets » mais lorsque des études montrent leur fiabilité [17]–[19], ils deviennent des auxiliaires précieux dans la prévention de maladies En dehors du domaine médical, le réseau BAN intéresse le domaine militaire pour le suivi de signaux vitaux des soldats ou pour la communication entre soldats [20]. Il en est de même pour le sport où les BANs permettent le suivi en temps réel des performances des joueurs sur le terrain ou des professionnels sportifs dans leur quotidien. Enfin, avec l’évolution des divertissements multimédia, les jeux impliquant les avatars ont également recours aux BANs [21], [22]. Il est clair, au travers de ces exemples, que le potentiel d’applications des BANs est élevé et tend à s’accroître. Chaque application a comme nous le verrons dans la section qui suit, ses spécificités, mais dans l’ensemble, les communications dans les réseaux BANs doivent être optimisées pour garantir une faible consommation d’énergie. En prévision de leur densification, il faudrait aussi pouvoir gérer efficacement les interférences électromagnétiques. D’autres problématiques comme la sureté des utilisateurs, la sécurisation des données et la fiabilité des communications, contribuent à justifier amplement les recherches actuelles sur les BANs.
Spécifications des réseaux BANs Selon les applications, les spécifications requises pour les capteurs, en termes de débit, de consommation d’énergie et d’autonomie sont naturellement différentes. Le tableau 1.1 présente quelques exemples de capteurs avec les débits nécessaires, le taux d’erreur binaire (TEB) admissible et les contraintes sur la durée de vie de la batterie. Il apparaît clairement dans ce tableau que dans les applications médicales, le besoin en débit n’est pas très élevé (entre 10 kbps et 10 Mbps). Toutefois, ce besoin peut considérablement augmenter lorsqu’il s’agit de surveillance médicale impliquant par exemple l’enregistrement en continu, via des canaux multiples, d’activité neuronale [24] ou l’imagerie haute résolution [25]. Le tableau 1.1 indique aussi que la durée de vie de la batterie ainsi que le TEB sont très variables et dépendent étroitement de l’application. Ces deux paramètres de sortie, car fixés par le cahier des charges des applications, conditionnent directement les puissances mises en jeu et impactent donc logiquement les paramètres d’entrée que peuvent être le canal de propagation, les éléments rayonnants pour ne citer que les sujets électromagnétiques cadrant avec l’objet de notre étude. D’autres paramètres supplémentaires comme le nombre de nœuds, la flexibilité du réseau vis à vis de l’ajout/suppression de nœud, le taux d’erreur sur les paquets, le délai de liaison sont également à prendre en compte pour un dimensionnement optimal d’un réseau BAN [26]. La section suivante présente les standards de communication pouvant être appliqués pour les BANs vis-à-vis des spécifications de ces applications.

IEEE 802.15.4 et Zigbee

   Le standard IEEE 802.15.4 est un standard pour les réseaux PANs [30], spécifié pour des dispositifs à faible puissance (0 dBm) autour de 2.4 GHz et d’une capacité de données de 250 kbps. Pour le rendre compatible avec les réseaux BANs notamment en ce qui concerne la consommation d’énergie, il a été associé à la norme Zigbee [31], [32] qui cible principalement l’utilisation rationnelle de l’énergie dans des applications comme la domotique. Cette norme répond toutefois aux exigences de la Continua Health Alliance pour son utilisation dans le domaine de la santé. Dans cette association, le standard IEEE 802.15.4 gère les couches PHY (Physique) et MAC (Media Access Control), tandis que la norme Zigbee gère les couches réseau et application [31]. Un exemple de prototype de réseaux de capteurs vitaux BAN a été réalisé suivant le standard IEEE 802.15.4 dans [33]. La bande de fréquence autour de 2.4 GHz utilisée par le standard est, en raison de la congestion du trafic WLAN (Wireless Local Area Network), sensible aux interférences [30]. Bien que ce standard soit encore utilisé pour les communications entre capteurs, la norme IEEE 802.15.6 (de février 2012) établit un nouveau standard dédié spécifiquement pour les communications BAN.

La miniaturisation poussée des antennes

   Une des contraintes majeures des réseaux BANs est la faible dimension des dispositifs portés sur le corps pour des raisons de confort et d’acceptabilité. Avec les techniques de miniaturisation d’antennes, des technologies efficaces associant plusieurs antennes, aujourd’hui irréalisables pour les BANs aux fréquences inférieures, pourront être développées. On peut citer le LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic) et les substrats thermoplastiques pour créer des antennes discrètes, physiquement petites et de gain élevé [40].

Off-body

   Les liaisons BANs off-body se feront potentiellement dans un environnement « dans un couloir » (cas d’un hôpital) ou dans un bureau. Il est montré dans [102] qu’une combinaison de distributions Lognormal et de Rayleigh donne la meilleure approximation pour un environnement « dans un couloir » et qu’une distribution Lognormal est convenable pour les liaisons Off-body dans un bureau. Ces conclusions ont été tirées de simulations et de mesures en bande étroite autour de 5,2 GHz. Le modèle Nakagami-m donne les meilleures approximations en premier et second ordre pour un grand nombre de canaux off-body à 868 MHz [103]. La position des antennes et les mouvements ont un effet important sur le canal en environnement intérieur (indoor) [35], [104]. D’autres mesures dans [105] montrent que le modèle de canal off-body présente une dépendance de la position de l’antenne sur le corps, ce qui laisse envisager l’exploitation de la diversité spatiale. Pour différentes mesures à 820 MHz et 2,36 GHz [105], la distribution Lognormal présente la meilleure performance. L’évanouissement multitrajet est plus faible en ultra large bande par rapport à une communication à bande étroite [35]. A 60 GHz, un modèle de canal off-body en environnement intérieur (indoor) a été établi pour la première fois sur une large bande [106].Comme dans [105], trois positions sont considérées pour le nœud central. Les nœuds sur la tête et sur le poignet donnent pour tous les scénarios une atténuation plus faible (de l’ordre de -70 dB pour une liaison LOS et -84 dB pour une liaison NLOS de 1 m) par rapport au nœud au niveau de la taille (-90,1 dB en LOS et -101,4 dB en NLOS pour 1 m de liaison). Le modèle d’atténuation est linéaire en échelle logarithmique par rapport à la distance pour les deux nœuds équivalents (tête et poignet). Quant à la dispersion des retards, elle est plus élevée pour le nœud au niveau de la taille et à cause du masquage par le corps, le signal issu du trajet direct est plus faible que le résultant du multitrajet. Aussi, la distribution de l’évanouissement du signal est établie et le modèle « Lognormal » donne la meilleure précision sauf pour les liaisons NLOS avec le nœud sur la tête ou sur le poignet, pour lesquelles le modèle retenu est le modèle de « Weibull ». Pour le modèle de PDP (Power Delay Profile), un modèle exponentiel a été trouvé.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. RESEAUX DE CAPTEURS CORPORELS
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les réseaux de capteurs corporels (Body Area Networks ou BANs)
1.2.1 Définition
1.2.2 Classification des réseaux BAN
1.2.3 Principaux domaines d’applications des BANs
1.2.4 Spécifications des réseaux BANs
1.3 Standards de communication
1.3.1 IEEE 802.15.4 et Zigbee
1.3.2 IEEE 802.15.6
1.4 Utilisation de la bande autour de 60 GHz pour les BANs
1.4.1 Avantages
1.4.1.1 Réduction des interférences et efficacité énergétique
1.4.1.2 Sécurité de canal et décongestion spectrale
1.4.1.3 La miniaturisation poussée des antennes
1.4.1.4 Harmonisation des liaisons On-body et Off-body
1.4.1.5 Sureté
1.4.1.6 Intérêt pour les BANs à 60 GHz
1.4.2 Inconvénients
1.4.3 Régulation et standards de communication autour de 60 GHz
1.4.3.1 IEEE 802.11ad
1.4.3.2 IEEE 802.15.3c
1.4.4 Application des BANs à 60 GHz
1.5 Problématique de la consommation d’énergie
1.6 Modélisation de canal BAN
1.6.1 Méthodes
1.6.2 Modèles analytiques de canal
1.6.2.1 On-body
1.6.2.2 Off-body
1.6.3 Modèles statistiques de canal
1.6.3.1 On-body
1.6.3.2 Off-body
1.6.4 Limites des modèles existants
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2. CONCEPTION D’UNE ANTENNE CORNET SIW POUR LA MESURE DE CANAL BAN A 60 GHZ
2.1 Introduction
2.2 Spécifications d’antennes pour les mesures de canal BAN à 60 GHz
2.3 Etude comparative d’antennes pour les mesures de canal BAN à 60 GHz
2.4 Conception de l’antenne cornet SIW à 60 GHz
2.4.1 Antenne cornet conventionnel
2.4.1.1 Dimensionnement du guide
2.4.1.2 Dimensionnement du cornet
2.4.2 Antenne cornet SIW équivalente
2.4.3 Ajout d’une transition imprimée pour l’élargissement de la bande d’adaptation
2.4.4 Alimentation par transition microruban « taper »
2.5 Caractérisation de l’antenne cornet SIW à 60 GHz
2.5.1 Caractérisation en espace libre
2.5.1.1 Coefficient de réflexion S11
2.5.1.2 Diagramme de rayonnement
2.5.2 Caractérisation sur le corps humain
2.5.2.1 Coefficient de réflexion pour différentes hauteurs de l’antenne par rapport au fantôme
2.5.2.2 Diagramme de rayonnement pour différentes hauteurs de l’antenne par rapport au fantôme
2.6 Conclusion
CHAPITRE 3. COMMUNICATION SUR LE CORPS
3.1 Introduction
3.2 Problématique de la définition du gain d’antenne sur le corps
3.2.1 Mesures de canal « on-body » sur un fantôme
3.2.2 Expression théorique du gain d’un dipôle sur un diélectrique avec perte
3.3 Considérations de puissance pour un dipôle et une ouverture
3.3.1 Considérations de puissance : bilan de liaison et efficacité
3.3.2 Champ électrique rayonné par un dipôle
3.3.3 Champ électrique rayonné par une ouverture sur le corps
3.4 Normalisation de puissance pour la comparaison d’antennes rayonnant sur le corps
3.4.2 Impédance d’un dipôle vertical
3.4.3 Impédance d’une ouverture rectangulaire
3.5 Comparaison d’antennes sur le corps en termes de bilan de liaison
3.5.1 Puissance reçue avec un dipôle
3.5.2 Bilan de liaison avec un dipôle et une antenne ouverture
3.5.3 Diagramme de rayonnement
3.6 Comparaison d’antennes sur le corps en termes d’efficacités
3.7 Discussion
3.8 Conclusion
CHAPITRE 4. MESURE BAN DYNAMIQUE EN MODES ON-BODY ET OFF-BODY : ETUDE ENERGETIQUE
4.1 Introduction
4.2 Mesure dynamique de canal on-body à 60 GHz
4.2.1 Caractérisation BAN
4.2.2 Liaisons BAN On-body
4.2.3 Chaînes de mesure et de calibration
4.2.4 Résultats expérimentaux
4.2.5 Conclusion
4.3 Mesure dynamique de canal off-body
4.3.1 Caractérisation BAN
4.3.2 Liaisons BAN Off-body à 4 GHz
4.3.2.1 Chaîne et configurations de mesure
4.3.2.2 Résultats expérimentaux
4.3.3 Liaisons BAN Off-body à 60 GHz
4.3.3.1 Chaîne et configurations de mesure
4.3.3.2 Résultats de mesure
4.3.4 Résultats et discussions
4.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES

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