Les communications corporelles sans fil (WBANs)

Techniques combinées MB-OFDM coopératives dans les transmissions ultra larges bandes (UWB)

Les communications corporelles sans fil (WBANs)

Au cours de cette dernière décennie, l’utilisation de la technologie radio pour une variété d’applications cliniques et médicales a considérablement augmenté. Les progrès de la microélectronique ont permis la miniaturisation et l’intégration des capteurs biomédicaux et d’émetteurs-récepteurs radios en unités individuelles. De tels capteurs sans fil peuvent être portés ou implantés sur le corps, ou à sa proximité immédiate , ce qui facilite la collecte et la transmission continue de signaux physiologiques. L’interconnexion centralisée ou distribuée des capteurs biomédicaux sans fil est appelée réseau corporel BAN. Ce dernier se compose de périphériques sans fil portables de faible consommation énergétique, qui sont 14 sceptibles de répondre aux nouveaux besoins du marché dans divers domaines d’application tels que la télésurveillance de signaux physiologique pour les implants médicaux sans fil, la capture de mouvement pour les jeux videos ou les analyses sportives , les chaussures intelligentes. Les systèmes de communication sans fil centrés sur le corps (BCS : Body Centric Communications System) utilise le corps humain comme un support de communication entre deux ou plusieurs dispositifs portés sur le corps. Les communications centrées sur le corps peuvent être classées en trois catégories comme suit : Off-body : C’est la communication entre les capteurs placés sur le corps avec d’autres dispositifs à l’extérieure du corps. Un bon exemple de ce type de communication est celui du mobile vers la station de base pour la communication montante/descendante. Les informations issues des capteurs RFID portables et les capteurs placés sur le corps vers le système d’acquisition de données circulent dans les deux sens comme le montre la Figure 1.3. Les antennes devraient avoir des diagrammes de rayonnement dirigés loin du corps, offrant ainsi une couverture complète. Figure 1.3 Réseau de support médical avec appareils portables [27]. 15 On-body : C’est la communication entre deux ou plusieurs appareils qui sont montés sur le même corps humain. Par exemple, les capteurs portatifs montrés dans la Figure 1.4, placés à différents endroits du corps communiquent entre eux et avec un dispositif central monté sur le corps. De même, la communication entre un téléphone mobile placé dans la poche et le Casque Bluetooth, ou une montre-bracelet Bluetooth [28]. La montre communique avec le téléphone portable pour l’appel d’alertes entrants, affiche le numéro et accepte ou rejette la fonction d’appel. Un autre gadget intéressant est la chaussure Nike avec un contrôleur de volume iPod intégré [29], qui contrôle le volume de l’ipod en fonction de la vitesse de déplacement. Les antennes pour ces applications sur le corps devraient idéalement avoir des diagrammes de rayonnement dirigés vers la surface du corps. Figure 1.4 Exemple de la communication On-Body [30]. In-body : Il s’agit de la communication entre deux ou plusieurs appareils à travers le corps humain. Une partie importante du canal est à l’intérieur du corps humain. La principale zone d’application pour ce type de communication est le diagnostic médical et la surveillance des patients. Les dispositifs médicaux, implantés dans le corps humain, communiquent avec le 16 monde extérieur. Il s’agit notamment des stimulateurs cardiaques, des implants de cochlée, du capteur de glaucome, des implants rétiniens, etc. L’émergence de la nanotechnologie et les systèmes micro-électromécaniques (MEMS) ont un impact sans précèdent pour le développement des dispositifs implantables afin d’améliorer la qualité des réseaux de capteurs médicaux et le mode de vie des patients [26]. Les WBANs s’appuient sur des technologies radio émergentes qui demandent une consommation d’énergie et une complexité faibles. Diverses normes pour les connexions sans fil ont été développées ; on peut en citer la WiFi [31], WLAN [32], UWB [33], Bluetooth [34], Body LAN [27] et Zigbee [35]. D’autre part la technologie ultra-large bande(UWB) se présente comme une architecture prometteuse pour les WBANs en raison de ses bonnes caractéristiques : la grande immunité aux interférences inter-symboles (ISI), la communication à débit élevé et la faible consommation d’énergie conduisant à des batteries de taille réduite avec une durée de vie plus longue. L’OFDM Multi-bandes (MB-OFDM) est l’une des approches UWB proposées pour apporter une amélioration significative en termes de débit et de fiabilité des liaisons de communication d’un WBAN. Elle prend en charge un débit de données très élevé allant jusqu’à 1 Gbps, avec une bande passante de 528 MHz [1]. Plusieurs combinaisons de technologies émergentes à base d’antennes multiples à l’émission et réception de sorte que les codes de type STBC (Space Time Block code) et le STFC (Space Time Frequency Code) peuvent apporter une amélioration significative de la performance en terme du en termes du taux d’erreur surd lese bits, de la capacité du système, du débit de données, de l’extension de la portée, ou d’une forme combinée de ceux-ci [36]- [37]- [38]. Cependant, dans certaines applications et essentiellement pour les réseaux corporels sans fil, l’intégration de plusieurs antennes d’émission et de réception pourrait ne pas être possible , et ce en raison des contraintes des dispositifs en termes de taille et de coût. La communication coopérative se présente alors comme une stratégie alternative prometteuse pour les WBAN [39] [40]. Vu la diversité élevée et abordable offerte par les multiples chemins entre le nœud source et le terminal de destination via les relais, un grand intérêt de recherche est accordé aux réseaux  coopératifs et plus particulièrement dans le contexte des WBN [41] – [42]. Le concept de base des réseaux de relais coopératifs à trois terminaux a d’abord été introduit dans [43]. La capacité des réseaux de relais a été étudiée pour la première fois par Cover et El Gamal dans [44]. Sur la base du modèle à trois terminaux, un réseau de relais coopératif de base dans lequel un noeud source transmet des informations à un noeud de destination à l’aide d’un seul nœud relais est représenté à la figure 1.5. La transmission de la source vers la destination se passe en deux phases. Dans la phase 1, la source transmet son message à la destination, et le relais reçoit également les informations transmises par la source. Dans la phase 2, le relais transmet le message reçu à la destination uniquement. Figure 1.5 Illustration de la communication coopérative. Dans un réseau de relais, il est fréquent de considérer soit le protocole Amplify-andForward (AF), soit le Decode-and-Forward (DF). Dans le protocole AF, les relais reçoivent des signaux bruitées provenant de la source qui sont traités puis transmis vers la destination. Avec la DF, les relais décodent les messages émanant de la source, les ré-encodent et retransmettent à la destination [45]. Dans la coopération conventionnelle, tous les relais participent à la transmission des signaux. En conséquence, cela augmente le coût et la complexité du réseau. Récemment, la sélection de relais a été proposée par Bletsas [46]- [47] comme une  solution permettant d’améliorer les performances des réseaux coopératifs classiques. Un seul relais est sélectionné pour coopérer avec la source afin de transmettre les messages vers la destination. Étant donné qu’un seul relais participe à la coopération avec la source, le traitement général du signal dans le réseau est grandement simplifié. En outre, l’approche peut également conduire à une efficacité spectrale beaucoup plus élevée que l’approche par relais classique où tous les relais du réseau coopèrent. Cela est dû au fait que la transmission du signal, dans l’approche de sélection du relais, peut être complétée dans deux intervalles de temps quel que soit le nombre de relais R utilisés dans le réseau. En revanche, des intervalles de temps R + 1 sont nécessaires pour compléter la transmission de l’approche de relayage classique. Néanmoins, une unité centrale de traitement est nécessaire pour décider quel relais est sélectionné pour coopérer. L’amélioration de la performance avec ces schémas de sélection à relais unique par rapport à l’approche de relais classique est clairement démontrées dans..

Applications de la WBANs

L’UWB est amenée à jouer un rôle important dans la technologie BAN en tant qu’interface de communication. Cependant, d’autres domaines d’intérêt comme la détection et l’imagerie médicale peuvent également bénéficier de l’utilisation de signaux UWB ; nous citons l’exemple du radar médical UWB. Ce dernier peut permettre une surveillance du mouvement respiratoire et cardiaque, mais aussi l’estimation de la pression artérielle et l’exploitation de l’imagerie médicale pour la détection précoce du cancer. Ce ne sont que quelques-unes des applications que la technologie UWB peut avoir en pratique médicale. Nous détaillerons dans ce qui suit les différentes utilisations d’UWB dans le domaine de la médecine [48]. Capteurs implantables L’utilisation de capteurs implantables transmettant des signaux physiologiques à une unité externe pour leur traitement et leur visualisation peut permettre la gestion personna19 lisée des maladies chroniques, et la faisabilité d’une communication à débit élevé pour les implants utilisant cette technologie a été déja démontrée [49]. Dans une expérience utilisant la technique in vivo sur un porc vivant, une liaison UWB sans fil de 1 Mbit/s a été établie pour une profondeur d’implantation maximale de 12 cm avec un taux d’erreur de bits (BER) de 10−2 a été atteint. Des simulations et des expériences simples in vivo ont prédit la faisabilité d’une transmission allant jusqu’à 100 Mbit/s pour les communications d’implants UWB. D’autres recherches, y compris des expériences in vivo plus élaborées, sont nécessaires pour vérifier si un capteur implanté dans le corps à une profondeur de plusieurs centimètres peut communiquer à des débits de données élevés. Une grande atténuation des signaux UWB qui se propagent à travers les tissus biologiques est le principal facteur gênant. Endoscope de capsule sans fil L’un des dispositifs médicaux qui bénéficierait largement des débits de données élevés fournis par les interfaces UWB est l’endoscope de capsule sans fil (WCE : Wireless Capsule endoscope) [50]. Cet appareil transmet des images fixes et dans certains cas une vidéo en temps réel de l’intérieur du transit gastro-intestinal (GI) à un récepteur externe pour un traitement ultérieur et une analyse clinique. La grande bande passante de l’UWB peut permettre la transmission de vidéos en temps réel avec une résolution plus élevée que celle actuellement disponible. Par conséquent, des techniques pour contrer les grandes pertes de propagation devraient être conçues. En outre, la conception d’un système de communication UWB-WCE doit tenir compte des particularités de la chaîne radio. Localisation et suivi La résolution temporelle élevée des signaux UWB peut permettre la localisation et le suivi en temps réel des objets avec une grande précision. L’UWB a été démontré comme une technique efficace pour le suivi continu des personnes dans des environnements intérieurs. Elle est aussi utile pour les personnes dont leurs vies est assistées tel que chez les patients souffrant  autour du corps humain de sérieuse perte ou réduction des capacités cognitives. Ces avantages pourraient également être exploités pour la localisation et le suivi précis des appareils médicaux dans le corps comme dans le WCE. Dans un milieu de propagation avec perte comme le corps humain la localisation précise est plus difficile que dans l’espace libre en raison de l’atténuation dépendant de la fréquence et des variations des vitesses d’onde EM (permittivité du milieu). Ce problème peut être réduit avec une combinaison d’un ensemble de récepteurs non corrélés, une application de principe de diversité et de l’informations sur l’état due canal a priori. Radar médical Le radar UWB s’est imposé comme un outil utile pour les applications non médicales, comme l’imagerie à travers les murs et le radar pénétrant au sol. Au cours de la dernière décennie, plusieurs applications médicales possibles pour le radar UWB ont été également démontrées, notamment la détection des lésions internes telles que l’hématome intracrânien, la surveillance des fonctions respiratoires et cardiaques et l’imagerie du corps humain [51]. Une grande contribution à l’avancement de la technologie des radars médicaux a été le développement d’une famille de capteurs UWB connus sous le nom de radar à impulsions micropower (MIR) au Lawrence Livermore National Laboratory aux États-Unis. Aujourd’hui, le radar UWB permet une surveillance continue sans contact des battements du cœur et des voies respiratoires. Bien que l’outil principal utilisé dans le dépistage des maladies cardiovasculaires soit encore l’électrocardiogramme (ECG), la recherche en cours vise à extraire une quantité similaire d’informations cliniques à partir des échos des signaux UWB reçus. L’imagerie médicale L’imagerie médicale avec le radar UWB implique la transmission d’une impulsion extrêmement courte dans le corps, et l’enregistrement du signal est rétrodiffusé à partir de différents endroits. L’imagerie médicale UWB présente plusieurs avantages par rapport aux techniques actuelles tels que l’imagerie par résonance magnétique (IRM), la tomodensitomé21 trie (CT), les rayons X et les ultrasons. Grace au radar UWB, une imagerie continue et sans contact est possible sans recours aux scanners volumineux et coûteux. L’imagerie UWB du coeur a également été démontrée dans une récente expérience de validation de concept [52] où une résolution suffisante pour l’observation des différentes parties mobiles du cœur a été obtenue. Malgré les résultats prometteurs attendus du système radar, l’amélioration de celui-ci nécessitent des techniques de traitement du signal plus performant.

Propriétés du réseau corporel sans fil

Contrairement aux WSNs conventionnels, les WBANs ont leurs propres caractéristiques. Les protocoles actuels et les techniques de traitement conçus pour les WSNs [24] ne sont pas toujours bien adaptés pour supporter un WBANs [53]. Nous décrivons dans ce qui suit les propriétés essentielles d’un WBAN : Ressources énergétiques limitées :Étant donné que les noeuds des capteurs doivent être de petite taille, leurs ressources de batterie sont très limitées. En outre, bien qu’une longue durée de vie du noeud soit attendue (jusqu’à plusieurs années ou même des décennies pour les noeuds implantés), sa batterie n’est pas facilement rechargée ou remplacée. Par conséquent, l’efficacité énergétique est un paramètre crucial dans les WBANs. Égalité : Tous les nœuds sont importants, mais ils ne sont ajoutés que lorsqu’ils sont nécessaires pour une application bien définie. Pour garantir au patient le meilleur soin et confort, le nombre de nœuds est habituellement réduit au minimum. Transmission à faible puissance : Les transmissions de faible puissance sont indispensables pour minimiser les interférences et d’éviter des répercussions désastreuses sur la santé [54]. Forte perte de propagation autour ou dans le corps humain [55]- [56] : Le corps humain est considéré comme un milieu adverse pour la transmission. Lorsque les signaux sont transmis autour ou à travers le corps humain, ils peuvent subir une forte perte de propagation et sont considérablement atténués avant qu’ils atteignent le récepteur. 22 Mobilité : Puisque les patients peuvent se déplacer, les noeuds situés sur le corps humain peuvent être en mouvement. En revanche, les noeuds WSN sont habituellement considérés comme statiques. 

Norme IEEE 802.15.6

Sur la base de la description figurant dans les sections précédentes, les normes et technologies existantes ne peuvent pas satisfaire les exigences et la réglementation de communication pertinente pour les applications WBANs. Par conséquent, une norme internationale devrait être conçue pour une communication sans fil à courte portée, faible puissance et pour une utilisation soit à proximité immédiate ou à l’intérieur d’un corps humain. Dans ce sens, le groupe de travail IEEE 802.15.6 a été formé par l’Association des normes IEEE. Ce dernier vise à développer une norme de communication autour du corps humain optimisée pour satisfaire une variété d’applications, y compris l’électronique médicale, l’électronique grand public, le divertissement personnel et autres [57]. Dans la norme IEEE 802.15.6 publiée en 2012, une introduction à la topologie générale du réseau a été présentée [58]. L’illustration dans la Figure 1.6 montre qu’il existe un seul coordinateur dans un réseau à un seul nœud WBAN. Les échanges de trames se produisent directement entre les nœuds et le coordinateur du WBAN. Dans un un schéma étendue à deux sauts, le coordinateur et un nœud échangent leurs données éventuellement via un nœud relais. La norme définit également les nouvelles couches physique PHY et MAC pour les WBANs [59]- [60]. Pour la couche MAC, un mode d’accès multiple connu sous le nom d’accès aléatoire est pris en charge dans la norme, Où le coordinateur informe les nœuds et leurs accorde des intervalles de temps exclusifs pour transmettre ou recevoir des informations [61]- [62].Pour la couche PHY [63]- [64]- [65], trois types différents sont adoptés dans la norme IEEE : 802.15.6 bande étroite, communication du corps humain (HBC : Human Body communication) et WBANs-UWB.