WBAN et technologies sans fil

WBAN ET TECHNOLOGIES SANS FIL 

Récemment, l’évolution des technologies sans fil a permis le suivi à distance des patients. De nombreuses technologies ont émergé pour les systèmes médicaux assurant un suivi continu des patients et aidant les médecins à diagnostiquer et ainsi donner des directives médicales. Censé être confortable et non perturbant pour l’activité quotidienne, un réseau de capteurs est installé sous ou sur la peau du patient pour extraire certaines mesures liées aux maladies surveillées, formant les réseaux de capteurs sans fil médicaux WBAN.

La communication entre les différentes parties d’un réseau WBAN pour envoyer les données du patient au médecin et vice versa peut se faire par plusieurs technologies [3]. Du fait des nombreuses technologies disponibles, le choix de la technologie la plus appropriée, parmi celles existantes, est un défi qui n’est pas facile [4]. En effet, chacune de ces technologies a ses propres caractéristiques de fonctionnement et doit respecter certaines contraintes lorsqu’elle est utilisée pour des applications médicales.

Aperçu Général et Caractéristiques des réseaux WBAN 

L’architecture des réseaux WBAN

Dans un réseau WBAN, les capteurs sont responsables de détecter les données physiologiques, de les convertir sous forme numérique et de les transmettre à un Point d’Accès (PA). Ils peuvent être placés sur le corps humain (capteurs sur le corps), près du corps (capteurs portables) ou implantés sous la peau (capteurs dans le corps). Il existe deux types de capteurs : le premier mesure et envoie les données [5], le deuxième type, appelé actionneur, peut ajuster les doses de médicaments en plus de la mesure et de l’envoi des données médicales. Les données collectées sont envoyées via des technologies sans fil au serveur médical, où elles peuvent être analysées et enregistrées. Cela peut être appliqué sur deux, trois ou quatre niveaux selon l’architecture du système et selon les technologies utilisées [6].

Intra-WBAN

L’ »Intra-WBAN » réfère d’abord à la communication entre les capteurs et l’appareil personnel « Personal Device » (PD), puis entre les capteurs eux-mêmes [5]. Certains schémas existants utilisent des câbles pour connecter les capteurs directement à un PD, évitant ainsi le besoin d’un réseau sans fil dans le premier niveau [6]. Dans d’autres schémas, les données peuvent être transmises sans fil à un coordinateur ou à un nœud maître pour les envoyer à un PD (« multi-hop WBAN ») ou peuvent être transmises directement au PD (« single-hop WBAN ») qui transmet les données après traitement à un point d’accés. Les scénarios « multi-hop WBAN » et « single hop » WBAN sont décrits ci-dessous : Multi-hop WBAN : ce type de topologie est adopté lorsque la portée des nœuds est courte. Ainsi, pour atteindre le PD, le message envoyé par un nœud peut être transité par les nœuds intermédiaires. Single-hop WBAN : le PD reçoit les données directement des nœuds [6]. La puissance en « single-hop » est plus grande que celle du « multi-hop » et le délai est plus faible.

Inter-WBAN

« Inter-WBAN » réfère à la communication entre le PD et le PA via une technologie sans fil. Le niveau « Inter-WBAN » connecte les réseaux WBAN à d’autres réseaux qui sont accessibles par Internet. La communication « Inter-WBAN » a deux types d’architecture : l’architecture basée sur l’infrastructure, qui est utilisée dans la plupart des applications WBAN offrant une communication sécurisée et l’architecture basée sur ad-hoc permettant une disposition rapide et flexible [7].

Beyond-WBAN

« Beyond-WBAN » réfère à la communication entre le PA et le centre médical. Une passerelle est utilisée comme pont pour effectuer la communication via Internet ou réseaux cellulaires pour transmettre les données au centre médical. Après avoir reçu les données, les médecins spécialistes sont autorisés à les analyser pour surveiller le patient afin de fournir les conseils médicaux nécessaires [5]. Ce niveau permet également de récupérer les informations médicales du patient qui peuvent être nécessaires pour planifier un traitement approprié [7].

La consommation d’énergie

Des batteries de petite taille sont utilisées pour alimenter les capteurs dans les systèmes WBAN. Certaines de ces batteries, notamment pour les capteurs implantés, fonctionnent pour plusieurs années sans besoin de les recharger ou de les remplacer [5]. Par conséquent, il est indispensable d’avoir un système d’alimentation efficace dans les réseaux WBAN, tout en utilisant des batteries miniaturisées. Le premier point à considérer pour obtenir un système WBAN d’alimentation efficace est le choix d’une technologie sans fil économe en énergie. Deuxièmement, les appareils doivent être mis en mode de veille (sleep mode) durant pendant la majeure partie de la durée de fonctionnement. Troisièmement, il faut minimiser les interférences qui augmentent la consommation d’énergie d’un système WBAN [5].

La latence

La latence correspond au temps mis par les données pour aller d’un appareil à un autre [8]. Il varie de valeurs inférieures à la milliseconde pour la 5G/6G à quelques dizaines de millisecondes pour la 3G/4G, et peut dépasser une seconde pour les technologies LPWAN [9]. La faible latence de la transmission des données garantit la réussite de la transmission des données en temps réel au centre médical. Les applications WBAN médicales peuvent être vitales si elles ne peuvent pas tolérer les retards, notamment dans les situations d’urgence, où la reception tardive des données peut entraîner la mort du patient [8].

Les interférences

L’augmentation du nombre de capteurs ou de réseaux WBAN se traduit par une augmentation des interférences, ce qui est un grand défi [10]. Les interférences peuvent affecter la performance des réseaux et peut également affecter la consommation d’énergie des capteurs. En effet, les interférences empêchent les données d’arriver correctement à leur destination d’où le besoin de la retransmission fréquente et l’augmentation de la consommation d’énergie [10]. les interférences dans les systèmes WBAN peuvent être divisées en deux types. Premièrement, les interférences « Intra-WBAN », dues aux transmissions asynchrones entre les capteurs proches les uns des autres. Deuxièmement, les interférences « Inter-WBAN », où des sources externes fonctionnant sur les mêmes bandes de fréquences que les réseaux WBAN provoquent des interférences [11]. Les interférences « Inter-WBAN » peuvent également se produire lorsque les données de deux ou plusieurs systèmes WBAN sont envoyées simultanément. Pour assurer la qualité du signal, il est nécessaire d’éviter ou d’atténuer ces deux formes d’interférences [12].

La sécurité et l’intimité

L’intimité et la sécurité des données médicales du patient sont des besoins indispensables dans les réseaux WBAN. L’intimité signifie que les données médicales, qui sont une forme très sensible de données personnelles, ne doivent pas être divulguées à des personnes qui n’ont pas la permission de les utiliser ou de les consulter. En effet, les informations médicales des patients ne doivent pas être utilisées de manière abusive. La sécurité dans les réseaux WBAN est la protection des données médicales d’un patient pendant la collecte, la transmission et le stockage [8]. Toute donnée erronée reçue par le centre médical peut entraîner de mauvais traitements et ainsi entraîner la mort du patient.

Table des matières

Introduction Générale
Contexte
Objectifs
Organisation du manuscrit
1 WBAN et technologies sans fil
1.1 Introduction
1.2 Aperçu Général et Caractéristiques des réseaux WBAN
1.2.1 L’architecture des réseaux WBAN
a- Intra-WBAN
b- Inter-WBAN
c- Beyond-WBAN
1.2.2 La consommation d’énergie
1.2.3 La latence
1.2.4 Les interférences
1.2.5 La sécurité et l’intimité
1.2.6 Applications WBAN en temps réel et données critiques
1.3 Technologies sans fil
1.3.1 Normes IEEE.802
a- Bluetooth
b- Bluetooth Low Energy
c- ZigBee-IEEE 802.15.4
d- WiFi-IEEE 802.11
e- Li-Fi
1.3.2 Technologies LPWAN
a- LoRa
Couche physique
b- Sigfox
c- Ingenu RPMA
d- NB-IoT
e- WiFi HaLow
1.3.3 Technologies futures
a- les normes 5G et B5G
b- le norme 6G
1.3.4 Choix d’une technologie pour un système médicale
1.4 Conclusion
2 Applications médicales WBAN et leurs défis
2.1 Introduction
2.2 Applications médicales WBAN
2.2.1 Projets et travaux des recherches réalisés
a- Patients diabétiques
b- Surveillance de l’asthme
c- Surveillance de la fréquence cardiaque
d- Maladie de Parkinson
e- Surveillance de la température du corps humain
f- Surveillance de la dépression
g- Électrocardiogramme ECG
h- Saturation d’oxygène
2.2.2 Capteurs
2.3 Les défis des réseaux WBAN
2.3.1 La consommation d’énergie
2.3.2 La sécurité
2.3.3 L’absorption des radiations par le corps humain
2.3.4 Les protocoles des technologies LPWAN
2.3.5 les interférences
2.3.6 La fiabilité et la qualité de service
2.4 Conclusion
3 HeaLoRa : application médicale à faible consommation d’énergie utilisant la technologie LoRa
3.1 Introduction
3.2 Choix de LoRa
3.3 Le système EWS
3.4 Description et fonctionnement du système
3.4.1 Architecture
3.4.2 Méchanisme proposé
3.4.3 Système d’inférence floue
3.5 Matériels
3.6 Résultats et discussion
3.6.1 Nombre de transmissions
3.6.2 Etude énergétique
3.6.3 Transmetteur LoRa
3.6.4 Capteurs
3.6.5 Microcontrôleur
3.6.6 Batterie
3.6.7 Résultats numériques
3.7 conclusion
4 Sélection d’un facteur d’étalement pertinent pour des applications médicales
4.1 Introduction
4.2 Application WBAN médicale
4.3 Méthode de sélection
4.3.1 Taux d’erreur des paquets
4.3.2 La consommation d’énergie
4.3.3 La méthode TOPSIS
étape 1
étape 2
étape 3
4.4 Simulation et analyse
4.5 Conclusion
Conclusions Générale

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