Communication Protocols in Wireless Body Area Networks (WBAN)

Protocoles de communication pour les réseaux de capteurs corporels sans fil (WBAN) Dans les réseaux WBAN, les capteurs sont utilisés pour surveiller, collecter et transmettre des signes médicaux et d'autres informations sur le corps humain (EEG, ECG, SpO2, température, etc.) à un nœud principal qu’on appelle « Sink ». Il y a plusieurs préoccupations dans les WBAN, allant de la conception de protocoles de communication fiables et efficaces face à la mobilité du corps humain à une communication faible en consommation énergétique. Les WBAN diffèrent des réseaux de capteurs sans fil typiques à grande échelle et se caractérisent par une mobilité dans le réseau qui suit les mouvements du corps humain et une qualité des liens qui varie en fonction de la posture du porteur. Aussi, la puissance d'émission des capteurs est maintenue faible afin d'améliorer leur autonomie et de réduire l’exposition aux ondes électromagnétiques des porteurs. Par conséquent, compte tenu des effets d’absorption du corps, des réflexions et des interférences, il est difficile de maintenir un lien direct (à un saut) entre le « Sink » et les autres nœuds. La communication multi-sauts représente une alternative viable. Nous avons évalué essentiellement deux primitives de communication: broadcast et converge-cast. Nous avons implémenté différentes stratégies de communication avec le simulateur Omnet++ auquel nous avons intégré le projet Mixim et un modèle de canal réaliste pour un scénario représentatif d'un réseau WBAN. Ce modèle est issu d'une recherche récente de l'informatique biomédicale et décrit les liens entre 7 nœuds, qui appartiennent au même WBAN, et qui sont attachés au corps humain sur la tête, la poitrine, le bras, le poignet, le nombril, la cuisse et la cheville. Les atténuations du signal sur ces liens sont calculées pour 7 postures qui varient entre des positions statiques à fortement mobiles et sont présentées, pour chaque couple de nœuds, sous la forme d’une atténuation moyenne et d’écart-type. Ensuite, nous nous sommes intéressés au problème de broadcast dans WBAN. Nous avons analysé plusieurs stratégies de diffusion inspirées des réseaux DTN avec différents niveaux de connaissance du réseau: des stratégies de type flooding, où les nœuds diffusent les paquets à l'aveugle, et des stratégies basées sur la connaissance du voisinage, où la diffusion est plus contraignante. Nos résultats ont montré que les stratégies de diffusion existantes ne résistent pas face à la mobilité du corps humain et ne peuvent pas être transposées sans des modifications significatives dans un contexte WBAN. Ainsi, nous avons proposé deux nouvelles stratégies de diffusion qui surpassent les stratégies existantes en termes de latence, de couverture du réseau et de la consommation d’énergie des capteurs. Nous avons également analysé la capacité de toutes ces stratégies à assurer l’ordre FIFO (c'est-à-dire les paquets sont reçus dans l'ordre de leur envoi) en les stressant avec différents taux de transmission du nœud « Sink ». Sans exception, les stratégies de diffusion à plat existantes enregistrent une baisse drastique de performance lorsque le taux de transmission augmente. Ainsi, nous avons pu proposer le premier protocole de diffusion inter-couches MAC-réseau, CLBP. Notre protocole exploite la mobilité du corps humain en choisissant soigneusement les liens de communication les plus fiables dans chaque posture. De plus, notre protocole a un mécanisme d'attribution de slots qui réduit la consommation d'énergie, les collisions, l'écoute inactive et la sur-écoute des capteurs. Nous nous sommes également concentrés sur le problème de converge-cast dans les réseaux WBAN. Nous avons adapté à partir des réseaux DTN et WSN des stratégies converge-cast représentatives que nous avons classées en trois catégories: basées sur le modèle du canal, basées sur la diffusion et basées sur multi-chemins. Nous avons étudié trois paramètres: la résilience à la mobilité corporelle, le délai de bout en bout et la consommation d'énergie. [...]