Reliable, Context-Aware and Energy-Efficient Architecture for Wireless Body Area Networks in Sports Applications

Un Réseau Corporel Sans Fil (RCSF, Wireless Body Area Network en anglais ou WBAN) permet de collecter de l'information à partir de capteurs corporels. Cette information est envoyée à un hub qui la transforme et qui peut aussi effectuer d'autres fonctions comme gérer des événements corporels, fusionner les données à partir des capteurs, percevoir d'autres paramètres, exécuter les fonctions d'une interface d'utilisateur, et faire un lien vers des infrastructures de plus haut niveau et d'autres parties prenantes. La réduction de la consommation d'énergie d'un RCSF est un des aspects les plus importants qui doit être amélioré lors de sa conception. Cet aspect peut impliquer le développement de protocoles de Contrôles d'Accès au Support (CAS, Media Access Control en anglais ou MAC), protocoles de transport et de routage plus efficients. Le contrôle de la congestion est un autre des facteurs les plus importants dans la conception d'un RCSF, parce que la congestion influe directement sur la Qualité De Service (QDS, Quality of Service en anglais ou QoS) et l'efficience en énergie du réseau. La congestion dans un RCSF peut produire une grande perte de paquets et une haute consommation d'énergie. La QDS est directement impactée par la perte de paquets. L'implémentation de mesures additionnelles est nécessaire pour atténuer l'impact sur la communication des RCSF. Les protocoles de CAS pour RCSF devraient permettre aux capteurs corporels d'accéder rapidement au canal de communication et d'envoyer les données au hub, surtout pour les événements urgents tout en réduisant la consommation d'énergie. Les protocoles de transport pour RCSF doivent fournir de la fiabilité bout-à-bout et de la QDS pour tout le réseau. Cette tâche peut être accomplie par la réduction du ratio de perte de paquets (Packet Loss Ratio en anglais ou PLR) et de la latence tout en gardant l'équité et la faible consommation d'énergie entre les noeuds. Le standard IEEE 802.15.6 suggère un protocole de CAS qui est destiné à être applicable à tous les types de RCSF; toutefois, ce protocole peut être amélioré pour les RCSF utilisés dans le domaine du sport, où la gestion du trafic pourrait être différente d'autres réseaux. Le standard IEEE 802.15.6 comprend la QDS, mais cela ne suggère aucun protocole de transport ou système de contrôle du débit. Le but principal de ce projet de recherche est de concevoir une architecture pour RCSF en trois phases : (i) Conception d'un mécanisme sensible au contexte et efficient en énergie pour fournir une QDS aux RCSF; (ii) Conception d'un mécanisme fiable et efficient en énergie pour fournir une récupération des paquets perdus et de l'équité dans les RCSF; et (iii) Conception d'un système de contrôle du débit sensible au contexte pour fournir un contrôle de congestion aux RCSF. Finalement, ce projet de recherche propose une architecture fiable, sensible au contexte et efficiente en énergie pour RCSF utilisés dans le domaine du sport. Cette architecture fait face à quatre défis : l'efficacité de l'énergie, la sensibilité au contexte, la qualité de service et la fiabilité. La mise en place de cette solution aidera à l'amélioration des compétences, de la performance, de l'endurance et des protocoles d'entraînement des athlètes, ainsi qu'à la détection des points faibles. Cette solution pourrait être prolongée à l'amélioration de la qualité de vie des enfants, des personnes malades ou âgées, ou encore aux domaines militaires, de la sécurité et du divertissement. L'évaluation des protocoles et schémas proposés a été faite par simulations programmées avec le simulateur OMNeT++ et le système Castalia. Premièrement, le protocole de CAS proposé a été comparé avec les protocoles de CAS suivants : IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4 et T-MAC (Timeout MAC). Deuxièmement, le protocole de CAS proposé a été comparé avec le standard IEEE 802.15.6 avec et sans l'utilisation du protocole de transport proposé. Finalement, le protocole de CAS proposé et le standard IEEE 802.15.6 ont été comparés avec et sans l'utilisation du système de contrôle du débit proposé. Le protocole de CAS proposé surpasse les protocoles de CAS IEEE 802.15.6, IEEE 802.15.4 et T-MAC dans le pourcentage de pertes de paquets d'urgence et normaux, l'efficacité en énergie, et la latence du trafic d'urgence et du trafic normal. Le protocole de CAS proposé utilisé avec le protocole du transport proposé surpasse la performance du standard IEEE 802.15.6 dans le pourcentage de perte de paquets avec ou sans trafic d'urgence, l'efficacité en énergie, et la latence du trafic normal. Le système de contrôle du débit proposé a amélioré la performance du protocole de CAS proposé et du standard IEEE 802.15.6 dans le pourcentage de perte de paquets avec ou sans trafic d'urgence, l'efficacité en énergie, et la latence du trafic d'urgence.

Abstract

Information collected from body sensors in a Wireless Body Area Network (WBAN) is sent to a hub or coordinator which processes the information and can also perform other functions such as managing body events, merging data from sensors, sensing other parameters, performing the functions of a user interface and bridging the WBAN to higher-level infrastructure and other stakeholders. The reduction of the power consumption of a WBAN is one of the most important aspects to be improved when designing a WBAN. This challenge might imply the development of more efficient Medium Access Control (MAC), transport and routing protocols. Congestion control is another of the most important factors when a WBAN is designed, due to its direct impact in the Quality of Service (QoS) and the energy efficiency of the network. The presence of congestion in a WBAN can produce a big packet loss and high energy consumption. The QoS is also impacted directly by the packet loss. The implementation of additional measures is necessary to mitigate the impact on WBAN communications. The MAC protocols for WBANs should allow body sensors to get quick access to the channel and send data to the hub, especially in emergency events while reducing the power consumption. The transport protocols for WBANs must provide end-to-end reliability and QoS for the whole network. This task can be accomplished through the reduction of both the Packet Loss Ratio (PLR) and the latency while keeping fairness and low power consumption between nodes. The IEEE 802.15.6 standard suggests a MAC protocol which is intended to be applicable for all kinds of WBANs. Nonetheless, it could be improved for sports WBANs where the traffic-types handling could be different from other networks. The IEEE 802.15.6 standard supports QoS, but it does not suggest any transport protocol or rate control scheme. The main objective of this research project is to design an architecture for WBANs in three phases: (i) Designing a context-aware and energy-efficient mechanism for providing QoS in WBANs; (ii) Designing a reliable and energy-efficient mechanism to provide packet loss recovery and fairness in WBANs; and (iii) Designing a context-aware rate control scheme to provide congestion control in WBANs. Finally, this research project proposes a reliable, context-aware and energy-efficient architecture for WBANs used in sports applications, facing four challenges: energy efficiency, context awareness, quality of service and reliability. The benefits of this solution will help to improve skills, performance, endurance and training protocols of athletes, and deficiency detection. Also, it could be extended to enhance the quality of life of children, ill and elderly people, and to security, military and entertainment fields. The evaluation of the proposed protocols and schemes was made through simulations programed in the OMNeT++ simulator and the Castalia framework. First, the proposed MAC protocol was compared against the IEEE 802.15.6 MAC protocol, the IEEE 802.15.4 MAC protocol and the T-MAC (Timeout MAC) protocol. Second, the proposed MAC protocol was compared with the IEEE 802.15.6 standard with and without the use of the proposed transport protocol. Finally, both the proposed MAC protocol and the IEEE 802.15.6 standard were compared with and without the use of the proposed rate control scheme. The proposed MAC protocol outperforms the IEEE 802.15.6 MAC protocol, the IEEE 802.15.4 MAC protocol and the T-MAC protocol in the percentage of emergency and normal packet loss, the energy effectiveness, and the latency of emergency and normal traffic. The proposed MAC protocol working along with the proposed transport protocol outperforms the IEEE 802.15.6 standard in the percentage of the packet loss with or without emergency traffic, the energy effectiveness, and the latency of normal traffic. The proposed rate control scheme improved the performance of both the proposed MAC protocol and the IEEE 802.15.6 standard in the percentage of the packet loss with or without emergency traffic, the energy effectiveness and the latency of emergency traffic.