Biomedisinske sensornettverk basert på Ultra Wide Band impulsradio og IEEE 802.15.4/Zigbee

Abstract

Ved behandling og restitusjon av pasienter må pasientenes kroppfunksjoner overvåkes. Typiske funksjoner som må overvåkes er blodtrykk og elektrokardiogram. Dette er til nå gjort ved kabelbaserte løsninger og en overgang til en trådløs løsning vil kunne føre til større evegelsesfrihet hos pasientene samt at man har mulighet til å overvåke pasientene utenfor helseinstitusjonen. Et større velvære og et kortere opphold på helseinstitusjonen vil kunne bidra til en kortere restitusjonstid for pasientene. Oppgaven har bestått i å undersøke muligheter for bruk av Ultra Wide Band impulsradio og Zigbee i biomedisinske sensornettverk. Det er foretatt et studie av optimal konstruksjon av et MAC lag for UWB-IR der det er fokusert på krysslagsoptimering og hvordan UWB-IR kan implementeres i Zigbee stakken. Det er også gjort et studie av interferensproblemer i UWB-IR-nettverk. To ulike MAC protokoller for UWB-IR, DCC-MAC og (UWB)2, er blitt simulert i medisinske scenarioer og det er foretatt en beregning av energiforbruket ved bruk av UWB-IR og Zigbee. Det vil være mulig °a implementere UWB-IR i eksisterende standard IEEE 802.15.4/Zigbee. Dette vil derimot ikke være optimalt uten at man gjør endringer slik at de unike egenskapene til UWB-IR signalet utnyttes. Det vil også være viktig å implementere nye teknikker og funksjonaliteter som for eksempel posisjonering for å øke ytelsen til systemet ved at denne informasjonen kan utnyttes til blant annet effektkontroll. Stakken til et fysisk lag basert på UWB-IR bør krysslagsoptimeres slik at informasjonen kan utveksles mellom lagene. Resultatene fra simuleringene viser at DCC-MAC kommer noe bedre ut enn (UWB)2 i scenario 1 ved at den h°andterer interferensen og NLOS bedre. (UWB)2 gir derimot et lavere pakketap ved LOS i scenario 2. Sammenligningen mot Zigbee viser at begge protokollene gir et lavere pakketap ved økende antall noder. Beregningen av energiforbruket for Zigbee og UWB-IR viser at bruk av UWB-IR vil øke levetiden til nodene i nettverket betraktelig. Zigbee-noder har en maksimal levetid på 140,1 dager ved bruk av største pakkestørrelse og minste sendereffekt. Ved bruk av UWB-IR vil det være mulig å øke levetiden til nodene til 554,5 dager, som er den maksimale levetiden til hver av protokollene. Beregningene viser også at valg av antall pulser som transmitteres per bit og hvilken koderate som benyttes i kanalkoderen for UWB-IR ikke har stor innvirkning på den totale levetiden til nodene.