par Seungmin Kim etJeongGil Ko *ORCID
Département d'ingénierie informatique, Université Ajou, Suwon 16499, Corée
Auteur à qui la correspondance doit être adressée.
Sensors 2019, 19(2), 341 ; https://doi.org/10.3390/s19020341
Reçu : 14 décembre 2018 / Révisé : 11 janvier 2019 /
Accepté : 12 janvier 2019 /
Publié : 16 janvier 2019
(Cet article appartient au numéro spécial Internet des objets et détection omniprésente).
Résumé
La communication intra-corporelle (IBC) est une méthode de communication utilisant le corps humain comme support de communication, dans laquelle les appareils fixés au corps échangent des signaux d'ondes électromagnétiques (EM) entre eux. Le fait que notre corps humain soit constitué d'eau et d'électrolytes rend possible de telles méthodes de communication.
Cette technologie de communication peut être utilisée pour concevoir de nouveaux réseaux corporels sécurisés et résistants aux interférences radio externes. Bien qu'il s'agisse d'une technologie attrayante pour permettre de nouvelles applications ubiquitaires centrées sur le corps humain, les protocoles de réseau pour les systèmes IBC sont encore sous-explorés.
Les normes IEEE 802.15.6 présentent des protocoles de couche physique et de contrôle d'accès au support (MAC) pour les systèmes IBC, mais, en raison de nombreuses simplifications, nous constatons que son protocole MAC est limité dans la fourniture d'un environnement permettant des applications à haut débit de données. Ce travail, basé sur des mesures empiriques de propagation d'ondes électromagnétiques effectuées pour le canal de communication du corps humain, présente IB-MAC, un protocole d'accès multiple par répartition dans le temps (AMRT) centralisé qui prend en considération la latence de transmission induite par le canal du corps humain. Nos résultats, dans lesquels nous utilisons un simulateur basé sur les événements pour comparer les performances d'IB-MAC avec deux protocoles MAC différents conformes à la norme IEEE 802.15.6 et un protocole MAC basé sur TDMA de pointe pour IBC, suggèrent qu'IB-MAC est adapté à la prise en charge d'applications à haut débit de données avec un cycle de service radio et des performances de latence comparables.
1. Introduction
La communication intra-corporelle (IBC) est une technologie de communication dans laquelle les appareils fixés sur le corps humain échangent des ondes électromagnétiques (EM) à travers le corps humain lui-même en tant que moyen de communication pour échanger des messages entre eux.
Le concept d'IBC a été introduit par Zimmerman comme un moyen de créer un réseau personnel (PAN), et l'idée était qu'un corps humain se compose d'eau et d'électrolytes, de sorte que les ondes EM puissent être efficacement transférées à travers le corps vers échanger des données.
Avec l'augmentation du nombre (et de la distribution) d'appareils portables, il est nécessaire d'augmenter les mécanismes de gestion d'un réseau autour du corps humain tout en maintenant des profils de faible consommation d'énergie. Alors que des technologies telles que Bluetooth Low Energy (BLE) sont largement utilisées dans les appareils actuels, l'augmentation de la quantité de ces appareils peut saturer le canal sans fil puisque ces appareils fonctionnent sur la bande Industrie-Science-Médical (ISM) 2,4 GHz, dans lequel de nombreuses normes sans fil commerciales fonctionnent. De plus, dans les applications sensibles à la mission, telles que les applications militaires ou cliniques, les interférences induites par des facteurs externes peuvent dégrader les performances et la convivialité des applications en général. Nous trouvons que l'utilisation d'IBC dans de telles applications est très utile. En utilisant le corps humain comme moyen de communication, les ondes électromagnétiques peuvent simplement circuler dans le corps humain (comme si nous utilisions un mécanisme de communication filaire) et les signaux que nous envoyons via cette interface peuvent être plus tolérants aux interférences externes.
En plus de cela, étant donné que les signaux sont conservés dans le corps, les chances que le signal soit écouté peuvent également être réduites.
Compte tenu de ces avantages potentiels, l'IEEE, en utilisant les normes 802.15.6, a défini un ensemble de normes de couche physique (PHY) et de contrôle d'accès au support (MAC) pour prendre en charge de tels systèmes IBC. IBC fait partie des deux mécanismes de communication différents spécifiés par la norme pour établir un réseau corporel sans fil (WBAN).
Plus précisément, la norme IEEE 802.15.6 définit les couches PHY et MAC d'IBC, qui prend en charge la qualité de service, une puissance extrêmement faible et des débits de données jusqu'à 10 Mbps. Cependant, IBC dans IEEE 802.15.6 ne prend pas entièrement en considération certains des problèmes pratiques qui peuvent être induits par la création d'un système IBC. Plus précisément, le protocole IEEE 802.15.6 MAC est simplement un protocole Slotted Aloha et les paramètres sont configurés pour être statiques et sont définis approximativement avec un minimum de considération sur les caractéristiques du corps humain.
Alors que la recherche liée au protocole MAC a été active dans le domaine sans fil, la recherche de MAC conçus spécifiquement pour les systèmes IBC n'est toujours pas un sujet profondément considéré étant donné que de nombreuses applications IBC se concentrent actuellement sur une seule paire de dispositifs de communication, qui ne nécessitent une planification sophistiquée des paquets. Même les protocoles MAC qui sont proposés pour les systèmes IBC ont des limitations similaires telles que le MAC IEEE 802.15.6. Dans ce travail, nous considérons cela comme une limitation et réalisons un ensemble d'études empiriques préliminaires pour identifier les caractéristiques de canal d'un canal IBC, le corps humain, et refléter ces résultats dans les paramètres de la couche MAC.
Ce travail propose IB-MAC, un protocole MAC centralisé basé sur TDMA conçu spécifiquement avec des paramètres liés au corps humain en considération. IB-MAC se concentre particulièrement sur la latence de transmission que le corps humain introduit lorsqu'il délivre des ondes EM via le support de communication du corps humain. Nous montrons que l'impact de temps de garde soigneusement sélectionnés, qui protègent les transmissions de paquets ultérieures contre les collisions, est crucial pour maintenir une performance élevée et gérer un faible cycle de service (pour la conception de systèmes à faible puissance) à l'aide d'un ensemble complet de simulations. Nos résultats montrent que le débit maximal réalisable d'IB-MAC est de 452 kbps dans un environnement de canal de 1 Mbps et atteint 9% du cycle de service radio, avec une latence de livraison de paquets d'environ 18 ms lorsque les créneaux de données sont entièrement alloués et que le réseau se stabilise.
Plus précisément, ce travail apporte les contributions suivantes.
Nous réalisons des études empiriques sur les performances des transmissions de signaux électromagnétiques (EM) sur le corps humain. Plus précisément, nous montrons des résultats expérimentaux sur l'atténuation du signal et la latence de transmission des signaux EM sur le corps humain.
Sur la base des résultats obtenus à partir de nos études préliminaires empiriques, nous concevons IB-MAC, un protocole MAC conforme à la norme IEEE 802.15.6 PHY pour les communications intra-corporelles. Les performances d'IB-MAC sont évaluées par des simulations.
Les comparaisons de performances avec les protocoles MAC standardisés et de pointe des systèmes IBC montrent que l'impact de la configuration d'un temps de garde approprié par rapport aux mesures empiriques de latence de transmission peut avoir un impact important sur les performances des systèmes IBC.
Le reste de ce travail est structuré comme suit. Dans la section 2, nous introduisons le concept d'IBC et discutons des travaux connexes dans ce domaine. La section 3 présente notre étude empirique préliminaire sur les performances des signaux d'onde EM sur le canal de communication du corps humain et la section 4 présente la conception de IB-MAC, la principale contribution de ce travail. Les performances d'IB-MAC ainsi que des comparaisons avec les protocoles existants sont présentées dans la section 5. Nous fournissons un ensemble de points de discussion pour les recherches futures dans la section 6 et concluons les travaux dans la section 7.
2. Contexte de la communication intra-corporelle et des travaux connexes
Nous commençons ce travail en fournissant un aperçu de la technologie de communication intra-corporelle (IBC) et des travaux connexes qui traitent des applications et des protocoles de réseau dans le domaine de l'IBC.
2.1. Présentation du BAC
Dans un environnement IBC, les dispositifs de communication sont fixés directement au corps humain et communiquent via des électrodes échangeant des signaux électromagnétiques (EM) ou ultrasonores traversant (principalement) la peau et les muscles. Par conséquent, une caractéristique notable des systèmes IBC est le fait que le corps humain agit comme un moyen de communication commun pour tous les appareils connectés. Les signaux électromagnétiques ou ultrasonores, une fois transmis via un appareil, se propageront dans tout le corps humain pour que n'importe lequel des autres appareils les capture facilement. Une telle caractéristique suggère que les schémas de communication de l'IBC, bien que sans fil, seront similaires à une communication par bus filaire. Les approches précédentes utilisant les ultrasons pour l'IBC présentent l'avantage que l'atténuation des signaux se propage bien dans tout le corps humain par rapport au milieu aérien. Cependant, les systèmes IBC à base d'ultrasons possèdent des limites quant à la quantité de données qu'ils peuvent transférer en raison de la latence de propagation par rapport aux ondes EM. Bien qu'elle soit adaptée à de petites quantités de transmissions, nous trouvons cette approche moins appropriée à appliquer dans divers domaines d'application qui incluent les services de divertissement et de streaming qui nécessitent de grandes quantités de transfert de données. Par conséquent, dans ce travail, nous nous concentrons sur les systèmes IBC qui utilisent les ondes EM pour les communications plutôt que sur l'approche basée sur les ultrasons.
2.2. Protocoles MAC pour IBC
La plupart des applications du domaine IBC utilisent encore des messages de petite taille pour permettre des services dans les soins de santé, la gestion de la vie quotidienne ou les jeux interactifs. Cependant, à mesure que la technologie mûrit, les applications IBC visent à couvrir une plus grande variété d'applications qui nécessitent des vitesses de transmission de données élevées. De plus, le nombre d'appareils utilisant le canal IBC augmentera. Alors que la plupart des applications actuelles se concentrent sur une paire d'appareils communiquant entre eux, un nombre croissant d'appareils IBC connectés au corps humain signifie que nous aurons potentiellement besoin d'une certaine forme de couche MAC pour gérer efficacement leurs transmissions et augmenter l'efficacité au niveau du système. Plusieurs efforts antérieurs dans le domaine du protocole MAC ont été conçus pour servir de telles applications dans des environnements IBC. Phang et al. ont proposé un système de suivi de santé portable et testé leur protocole TDMA, et Santagati et al. ont proposé une plate-forme IBC basée sur les ondes acoustiques UWB avec saut de fréquence.
Cependant, ces approches ont des limites dans le fait qu'elles simplifient le modèle de canal corporel en configurant de manière heuristique les temps de garde pour la propagation du canal corporel pour les ondes EM ou les signaux acoustiques. Bien qu'il existe des normes pour la communication IBC (IEEE 802.15.6), qui définissent les spécifications des couches PHY et MAC, nous constatons des limites dans les paramètres définis par ces protocoles, étant donné que bon nombre de ces paramètres sont tirés du sans fil (support aérien). caractéristiques du canal.
Dans ce travail, nous présentons IB-MAC, un protocole MAC adapté à une utilisation dans les systèmes IBC. Nous nous concentrons sur l'IBC basé sur les ondes EM et gardons également à l'esprit le fait que les paramètres de la couche MAC nécessitent une compréhension détaillée des caractéristiques de propagation du signal du corps humain d'un point de vue empirique.
IB-MAC est également conçu pour répondre aux exigences de débit élevé de nombreuses applications. Ce faisant, nous observons d'abord en détail comment les électrodes doivent être
(ou peuvent être) connectées au support de communication du corps humain pour atteindre de tels objectifs.
2.3. Couplage de circuit IBC
En formant un réseau IBC, selon la façon dont les électrodes sont attachées, nous pouvons définir deux types différents de méthodes de communication :
(1) couplage galvanique et
(2) couplage capacitif.
Dans un circuit à couplage capacitif, l'électrode de masse n'est pas fixée au corps et seule l'électrode de signal est fixée. La transmission du signal est effectuée en créant un champ EM près du corps.
Le premier concept d'IBC était que l'émetteur-récepteur partage la terre via un chemin capacitif, qui vise à fournir de petites quantités de données entre deux personnes. Varga et al. ont conçu une plate-forme IBC pour les environnements intelligents utilisant une fréquence porteuse de 2 à 8 MHz, ont mené plusieurs expériences concernant les caractéristiques du signal IBC avec diverses mesures liées à la mesure des qualités du signal (par exemple, la force du signal, le SNR), les performances de transmission IBC et la convivialité. du système dans de multiples cas d'utilisation en mettant en œuvre plusieurs plates-formes matérielles pour les systèmes IBC. Les travaux de Hachisuka et al. ont utilisé le couplage galvanique pour trouver une fréquence optimale pour le transfert du signal à travers le corps. Dans un circuit à couplage galvanique, l'électrode de masse est également fixée sur le corps avec l'électrode de signal. La méthode est également appelée approche de guide d'ondes ; techniquement, le corps humain est utilisé comme guide d'onde ou fil et le sol sera dépendant avec un émetteur et des appareils récepteurs. En conséquence, dans un système à couplage galvanique, le signal circule à l'intérieur du corps et l'onde EM sera liée au corps humain et ne circulera pas autour de lui.
Comme nous pouvons l'impliquer, le couplage galvanique a tendance à avoir plus de résistance aux facteurs d'interférence externes par rapport aux circuits à couplage capacitif, mais nécessitera une énergie plus élevée pour transmettre ses signaux. Ainsi, il en résultera un débit de données relativement plus faible. La figure 1 illustre comment les deux méthodes de communication diffèrent en termes de connectivité des électrodes.
Figure 1. Couplage dans un environnement IBC.
Sur la base de ces observations, nous présentons ensuite une étude préliminaire sur les études empiriques réalisées pour comprendre quantitativement comment un IBC MAC devrait être conçu en ce qui concerne diverses caractéristiques de performance liées à la communication.
3. Étude préliminaire sur les signaux EM pour IBC
Les modèles d'atténuation du signal et la latence de propagation sont deux caractéristiques importantes à comprendre lors de la conception de protocoles de communication.
À partir des modèles d'atténuation du signal, nous pouvons comprendre comment les signaux EM traversent le corps, et ainsi observer la possibilité potentielle d'exploiter la réutilisation spatiale sur le support de communication commun. De plus, les modèles d'atténuation montreront jusqu'où le signal EM parcourra le corps, ce qui fournira des implications supplémentaires sur la façon dont le MAC doit être conçu. En comprenant la latence de propagation, le protocole MAC peut être conçu de sorte qu'il ait une compréhension des temps de garde qu'il doit configurer pour assurer des transmissions de paquets sûres dans un cadre IBC. Dans cette section, nous présentons deux expériences préliminaires que nous avons réalisées pour comprendre empiriquement l'atténuation du signal et les schémas de latence des ondes EM.
3.1. Atténuation du signal
Comme mentionné ci-dessus, un modèle de circuit IBC peut être conçu de deux manières, couplage galvanique et couplage capacitif. Comme le montrent des recherches antérieures, les circuits à couplage galvanique ont une plus grande endurance aux facteurs d'interférence externes que les circuits à couplage capacitif. Du point de vue de l'atténuation du signal, une atténuation plus faible sur le corps humain conduit à de meilleures performances de communication. Pour valider cela, nous avons mené des expériences pour comparer les performances des deux mécanismes IBC tout en plaçant des électrodes aux mêmes endroits sur le corps. L'emplacement de la façon dont les électrodes sont connectées sur le corps est illustré à la figure 2, la distance entre chaque électrode est indiquée au tableau 1. Pour les tests de circuits couplés galvaniques, chaque point rouge représente les deux électrodes d'un seul appareil et l'expérience de couplage capacitif, et le rouge indique où les électrodes "signal" sont connectées avec l'électrode de masse flottante.
Figure 2. Trois paramètres d'expérience différents pour tester l'atténuation du signal d'onde EM.
Tableau 1. Distance entre les électrodes émettrices et réceptrices de la figure 2.
Notez que l'atténuation d'un signal est affectée par la fréquence des ondes EM ; par conséquent, nous avons réglé la fréquence centrale du signal EM à 5 MHz, qui est signalée comme l'impédance la plus basse du corps humain du point de vue de la fréquence. Pour générer l'onde EM, nous avons implémenté un programme simple utilisant Atmel SAMR21, qui génère une sortie de signal de base de 5 MHz vers ses broches GPIO. Nous présentons le signal de base de 5 MHz et le signal généré à partir des broches GPIO sur la figure 3a,b. Toutes les expériences de cette étude préliminaire ont été menées sur huit participants à l'étude, âgés de 21 à 36 ans et trois étaient des femmes.
Ces participants ont été spécialement sélectionnés pour que différentes caractéristiques des canaux corporels puissent être représentées (par exemple, masse grasse corporelle et ratio). Nous notons qu'il n'a pas été demandé aux participants de percevoir un état émotionnel spécifique ni de faire des mouvements spécifiques au cours de l'étude. De plus, nous notons que, dans toutes nos expériences empiriques, les appareils sont alimentés par batterie et le même type d'appareil a été utilisé pour la transmission et la réception du signal. Étant donné que de petites différences dans l'environnement de test peuvent introduire des écarts dans les résultats, nous nous sommes assurés que l'environnement de test était aussi stable que possible entre les différents sujets de test.
Pour calculer l'atténuation du signal d'onde EM sur le corps, nous collectons les données de niveau de tension pour les signaux d'entrée et de sortie. Tous les niveaux de tension ont été calculés en tant que tension quadratique moyenne (RMS), comme dans l'équation (1). Pour chaque échantillon Vrms, nous collectons 20 M points à partir d'un oscilloscope à 2,5 G échantillons/s, ce qui se traduit par un échantillon Vrms toutes les 8 ms. Sur cette base, nous calculons l'atténuation à l'aide de l'équation (2) :
En termes d'atténuation du signal d'onde EM pour les trois expériences, nous pouvons voir sur la figure 4, où nous présentons la moyenne et l'écart type de l'atténuation de la liaison de nos expériences, que les trois emplacements n'ont pas montré de différence significative.
Cependant, nous pouvons voir ici que les cas de couplage capacitif et galvanique montrent une différence notable dans l'atténuation du signal. Plus précisément, alors que le couplage capacitif montre une atténuation de -27 dB, celui du couplage galvanique était de -36 dB.
Nous notons que la réalisation d'expériences sur huit personnes (cinq échantillons indépendants collectés pour chaque sujet) avec des caractéristiques différentes (par exemple, la masse grasse corporelle) n'a pas eu d'impact significatif sur les modèles d'atténuation dans nos mesures. Comme prévu, avec un minimum d'interférences externes, la méthode de couplage capacitif montre une bien meilleure performance d'atténuation que les électrodes à couplage gavanique dans IBC.
De plus, comme le montrent les résultats, lorsque des appareils attachés au corps de n'importe quel endroit transmettent une onde EM, les appareils attachés n'importe où sur le corps peuvent bien recevoir l'onde EM ; ceci implique que la réutilisation spatiale ne peut pas être efficace sur le canal du corps humain.
Figure 4. Atténuation des ondes EM pour le couplage capacitif et gavanique avec différentes distances d'électrodes.
3.2. Latence de propagation
Le calcul de la latence a été effectué en comparant les horodatages de pointe pour les signaux d'entrée et de sortie. Pour calculer le délai de propagation du signal d'onde EM dans le corps humain, nous avons attaché des électrodes comme illustré à la figure 5. Pour chaque expérience, la distance entre deux électrodes a été configurée à 10, 20, 30, 40 et 50 cm, respectivement.
Les huit mêmes personnes qui ont participé à l'étude ont également effectué les expériences de latence. Les mesures de latence ont été effectuées à l'aide d'un oscilloscope connecté à la fois aux nœuds émetteur et récepteur alimentés par batterie pour maintenir la synchronisation temporelle entre les deux appareils.
Figure 5. Paramètres d'expérience pour les mesures de retard de propagation.
Comme le montre la figure 6, où nous traçons la moyenne et l'écart type de la latence de propagation observée, la latence de propagation augmente progressivement avec l'augmentation des distances de transmission. Quantitativement, le délai de propagation peut être calculé comme ∼0,94 ns par 10 cm. En effet, nous pouvons remarquer une grande variation dans les mesures et nous supposons qu'il s'agit d'un effet de petits artefacts et de la transition du volume sanguin dans le corps et des différences incontrôlables entre les différents corps humains.
Figure 6. Délai de propagation (moyenne et écart type) à travers le corps humain pour huit participants à l'étude.
Étant donné qu'un signal électrique (dans l'air) parcourt 30 cm toutes les nanosecondes, la latence de propagation est environ 3 à 4 fois plus lente lorsque les ondes électromagnétiques sont transmises à travers le corps humain. Cela suggère que, lorsque nous concevons des protocoles sensibles au temps pour les réseaux IBC, la surcharge de latence supplémentaire doit être soigneusement prise en compte.
Enfin, nous notons que les résultats ci-dessus, à la fois pour l'atténuation et le délai de propagation, sont basés sur un environnement expérimental utilisant notre porteuse de couche PHY à 5 MHz.
Les observations effectuées à l'aide de différentes caractéristiques de couche PHY peuvent donner des résultats différents. Néanmoins, comme le montrent la conception et les évaluations de notre protocole, ce travail souligne qu'il devrait y avoir une compréhension approfondie des caractéristiques de performance empiriques des systèmes IBC lors de la conception des protocoles de couche réseau.
4. IB-MAC
Sur la base des résultats de notre étude préliminaire, nous concevons IB-MAC, un protocole MAC centralisé basé sur TDMA pour les systèmes IBC. Nous avons choisi de concevoir IB-MAC en utilisant un algorithme basé sur TDMA étant donné que, comme nous le montrerons plus tard, les approches basées sur l'accès multiple avec détection de porteuse avec évitement de collision (CSMA/CA) fonctionnent mal sous les caractéristiques de propagation d'un environnement de canal corporel. De plus, nous pouvons dire que l'atténuation des ondes EM dans le corps humain
(∼36 dBm) n'affectera pas la qualité de la communication entre les appareils, permettant de configurer un réseau à saut unique. Ces caractéristiques du corps humain permettent de concevoir un protocole TDMA de faible complexité pour les canaux du corps humain. Lors de la conception d'un tel protocole MAC, il est important de bien définir la structure de la supertrame.
Ce faisant, nous prenons soigneusement en considération la latence de propagation du signal induite par le corps humain. Étant donné qu'une supertrame pour un protocole TDMA inclura divers types de données et l'interaction de plusieurs dispositifs, le temps de garde entre ces différents types de créneaux devient un facteur important à prendre en compte. Notez que la configuration du temps de garde dépend fortement des caractéristiques du support de communication. Par exemple, la norme IEEE 802.11 a/g/n/ac définit l'intervalle de garde sur 800 ns ou sur 400 ns en option.
Cela ajoute une surcharge de 11 à 20 %. Dans la norme IEEE 802.15.4, l'intervalle de garde est défini sur 24 μs, ajoutant également une surcharge de 20 %. Des travaux et des normes antérieurs pour l'IBC, basés sur de telles observations, ont défini le temps de garde par rapport à la vitesse de propagation des ondes EM dans les milieux aériens. Dans les normes IEEE 802.15.6, par exemple, l'intervalle de garde est défini sur 85 μs par défaut plus une petite quantité d'espace pour tenir compte des temps de dérive d'horloge. En se référant à ces normes de couche MAC/PHY, on peut supposer que l'intervalle de garde n'est pas actuellement traité comme une caractéristique importante dans la conception d'un protocole de système IBC. Cependant, pour concevoir un protocole plus efficace, nous soutenons qu'il doit y avoir une meilleure compréhension de la latence de propagation des ondes électromagnétiques dans le corps humain.
4.1. Structure IB-MAC
Les protocoles basés sur la répartition dans le temps, tels que IB-MAC, doivent examiner attentivement la manière dont le temps de garde est défini par rapport à la latence de transmission.
A insérer entre chaque trame, ce temps de garde « garde » littéralement les transmissions de paquets à l'intérieur de la trame, étant donné que si d'autres transmissions se produisent avant que le temps de garde ne soit écoulé, dans une architecture entièrement connectée comme les systèmes IBC (tous les nœuds peuvent entendre la transmission de toutes les transmissions dans le réseau dues à la propagation à travers le corps humain), le paquet d'origine peut entrer en collision avec le nouveau. Dans IB-MAC, sur la base des résultats quantitatifs recueillis dans nos études préliminaires, nous avons défini 1 octet (8 bits) de temps de garde pour chaque créneau de transmission de paquets. Ceci est fait en supposant que la distance maximale pouvant être atteinte sur un corps humain typique est de 2,5 m (doigt à orteil) et nous avons défini le temps de garde pour qu'il soit au moins deux fois supérieur à cette latence par rapport à la vitesse de propagation de l'onde électromagnétique. (c'est-à-dire ∼10,6 cm/ns) : une plage de transmission typique pour l'IBC est de 2 m, mais de 5 m pour certains cas extrêmes. Étant donné que le délai de transmission (c'est-à-dire le temps de garde) sera pris en compte dans la structure du paquet, dans laquelle nous configurons des dispositions au niveau des octets pour tenir compte de tout problème de synchronisation, nous fixons un temps de garde de 1 octet à 8 bits. Ce temps, bien que non significatif, est théoriquement suffisant pour supporter un débit de données de 170 Mbps dans le canal IBC. La figure 7, dans laquelle nous traçons le seuil des transmissions à un seul octet par rapport à des débits de données variables, montre que le fait d'avoir un seul octet de temps de garde restera effectif jusqu'à dépasser un débit de données de 170 Mbps. IB-MAC est conçu à l'origine pour fonctionner à 1 Mbps ; ainsi, c'est une durée suffisante pour protéger les paquets. Une optimisation supplémentaire de la longueur du temps de garde peut être effectuée, mais nous remplissons des bits supplémentaires pour correspondre à la taille de 1 octet afin de tenir compte également de la dérive d'horloge potentielle.
Figure 7. Temps de transmission d'un octet par rapport au débit de données.
Ce retard représente le temps qu'un temps de garde de 8 bits peut effectivement tenir pour différents débits de données.
Compte tenu du débit de données de la couche physique de 1 Mbps, l'intervalle de garde d'IB-MAC serait de 8 μs. De plus, compte tenu des caractéristiques des connexions du corps humain, tous les nœuds du réseau peuvent être atteints à partir du nœud coordinateur via un saut unique.
En plus de ces facteurs, nous concevons le protocole avec les objectifs de conception suivants :
Compte tenu de la tendance croissante des appareils portables, nous ciblons la conception d'un protocole MAC prenant en charge plus de 20 nœuds, 100 au maximum.
En fonction des exigences des applications médicales et militaires, nous fixons la taille maximale d'une trame de données à 50 octets. Pour les paquets plus volumineux, le protocole MAC doit être suffisamment flexible pour prendre en compte davantage de créneaux de données vers un seul nœud émetteur.
Il devrait y avoir un moyen de hiérarchiser les paquets qui doivent être livrés de toute urgence et les nœuds devraient pouvoir rejoindre le réseau avec une latence minimale.
La longueur de la supertrame, qui détermine la fréquence des transmissions de paquets, doit être réduite pour obtenir un débit élevé et une latence de livraison des messages au niveau de l'application.
Sur la base de ces objectifs de conception à l'esprit, nous présentons l'architecture de supertrame d'IB-MAC dans la figure 8. La taille totale d'une seule supertrame est définie sur 12,5 Ko et la supertrame comprend trois types de champs :
(1) Planification,
(2) joindre, et
(3) les données.
Nous sauvegardons également un octet réservé pour une utilisation future.
Figure 8. Structure de supertrame IB-MAC.
Le champ horaire est utilisé via des communications descendantes (du coordinateur aux nœuds individuels) et est utilisé pour diffuser les horaires de transmission pour tous les nœuds du réseau. Ce champ sert également implicitement à la synchronisation de l'heure à l'échelle du réseau.
Le champ de jointure dans la supertrame est utilisé via des communications ascendantes (des nœuds individuels au coordinateur) pour délivrer des messages de demande de jointure de nœuds individuels. De nouveaux nœuds peuvent participer à cette phase ou des nœuds existants qui souhaitent modifier leur débit de transmission de données peuvent également envoyer des paquets dans cette phase. La phase de jonction est la seule période de la supertrame d'IB-MAC au cours de laquelle les nœuds se font concurrence pour accéder au support ; il s'agit donc d'une période d'accès conflictuelle basée sur CSMA/CA. Une fois que les nœuds ont envoyé des messages d'adhésion, le deuxième tour suivant de champ de planification répond à ces demandes, de sorte que les nœuds nouvellement joints n'ont pas besoin d'attendre une période de supertrame entière pour envoyer leurs données. Étant donné que l'un de nos objectifs de conception est de minimiser la latence de jointure, nous considérons qu'il s'agit d'un aspect important de notre système. Les nœuds qui n'ont pas rejoint le système avant cette deuxième phase de distribution d'horaires peuvent accéder au système en utilisant la deuxième période d'adhésion, mais, dans ce cas, il leur est demandé d'attendre la fin du champ/de la phase de transmission de données, avant de recevoir un horaire pour le réseau TDMA. Enfin, le champ de données est divisé en 113 créneaux de transmission de données, avec des temps de garde, pour permettre jusqu'à 100 nœuds (slots supplémentaires pour les nœuds avec plus d'un créneau requis), tout en assurant un débit de données minimal de 300 kbps pour prendre en charge les applications tels que le streaming vidéo vers des casques de réalité mixte, le streaming vidéo de qualité définition standard (SD) peut être pris en charge.
4.2. Format de trame et de paquet
Tous les paquets IB-MAC sont encapsulés dans une trame PHY. Nous concevons le format de trame PHY pour répondre aux exigences des normes de transmission du corps humain IEEE 802.15.6. Comme le montre la figure 9, la taille d'une trame PHY est de 46 octets. La seule modification que nous apportons aux normes d'origine est la répétition du préambule et du délimiteur de début de trame (SFD). Selon les normes IEEE 802.15.6, ce préambule et ce SFD doivent être répétés quatre à huit fois, mais nous réduisons cela à une fois dans notre conception. En conséquence, chaque paquet commence par 32 octets de préambule, 76 bits (9,5 octets) de SFD, 4 octets d'en-tête PHY, et l'unité de données de protocole PLCP (Physical Layer Convergence Procedure) (PPDU) (par exemple, trame MAC) suit . Bien que cette longueur soit de 45,5 octets, nous avons ajouté un remplissage de 4 bits à l'en-tête pour créer une longueur de 46 octets.
Figure 9. Format de trame PHY.
L'en-tête PHY, comme illustré à la Figure 10, est conçu pour être identique aux normes IEEE 802.15.6. IB-MAC, bien que configurable, définit le champ Data Rate sur 011 (c'est-à-dire 1 Mbps) et le champ Pilot Info sur 00, car il n'est pas utilisé dans IB-MAC. Les autres champs de l'en-tête, à l'exception du champ de longueur PSDU, qui est configuré en fonction de la longueur du paquet, sont définis comme valeurs par défaut de la norme.
Figure 10. Format d'en-tête PHY.
Les trames de la couche MAC sont constituées des dernières parties de la trame PHY. La figure 11 présente les trois différents types de trames MAC comme brièvement mentionné ci-dessus.
Les paquets utilisés dans le champ horaire sont présentés sur la figure 11a. L'ID de puits et l'horodatage sont partagés pour la synchronisation de l'heure à l'échelle du réseau. En plus de cela, le nombre total de nœuds dans le réseau et les informations sur le créneau temporel de transmission de données alloué pour chaque nœud sont inclus dans ce paquet de grande taille. Grâce à ce paquet de planification, nous pouvons échanger la planification pour un maximum de 113 nœuds du réseau en envoyant des paquets à tous les créneaux horaires disponibles. Ce nombre de créneaux a été sélectionné en fonction de nos exigences au niveau de l'application consistant à prendre en charge jusqu'à 100 nœuds dans le pire des cas, avec une certaine marge pour remplir la supertrame avec des créneaux effectifs pour les nœuds qui nécessitent plus d'un créneau pour les transmissions. Enfin, l'intervalle de garde protège le paquet de planification des paquets de jointure qui suivent dans l'architecture de supertrame. Notez que, sur le deuxième champ de programme de l'architecture de supertrame, la même structure de trame exacte est transmise. Nous convenons que, si aucun paquet ne se joint, cela peut être un gaspillage de ressources, mais nous considérons l'importance de la jonction rapide du réseau de nœuds comme une caractéristique importante et permettons de telles inefficacités. Dans le cadre de travaux futurs, nous prévoyons d'étudier l'utilisation d'une architecture de supertrame dynamique qui utilise ces informations supplémentaires. Le seul octet réservé dans IB-MAC peut être utilisé pour identifier de telles situations et ajuster IB-MAC pour qu'il soit applicable dans de tels cas.
Figure 11. Format de trame MAC.
Le format du paquet de jointure dans la figure 11b est de 2 octets de long. Les deux premiers bits incluent le type de jointure, indiquant la nouvelle jointure, le détachement et la modification des cas tarifaires. Les nœuds peuvent demander jusqu'à 64 emplacements et nous définissons 1 octet de temps de garde. Notez que la taille des paquets de jointure est beaucoup plus petite que celle des paquets de planification. Comme mentionné ci-dessus, la phase de jonction est une période d'accès en concurrence, où de nombreux nœuds se disputent des créneaux horaires pour atteindre le nœud coordinateur. Par conséquent, il est important que la taille des paquets reste petite pour minimiser les risques de collision et de conflit de paquets.
Enfin, les paquets de données (Figure 11c) sont simples et comprennent juste les données à transmettre à la destination cible avec un intervalle de garde à la fin. La taille maximale de transmission de données est fixée à 50 octets dans IB-MAC en fonction de ses exigences de conception. Notez que les nœuds qui nécessitent la transmission de plus de 50 octets de charge utile peuvent à nouveau entrer en compétition dans la période de jonction pour se voir allouer des créneaux de données supplémentaires.
Les trois types de paquets discutés ci-dessus sont en fait la charge utile de l'en-tête MAC.
L'en-tête MAC précède les trois types de paquets et la conception de l'en-tête MAC dans IB-MAC est présentée à la Figure 12. Plus précisément, l'en-tête MAC a une taille de quatre octets.
La longueur de paquet indique la longueur de la charge utile dans le paquet MAC, et le champ de type de message spécifie lequel des trois formats de paquet MAC est utilisé. Les champs source et destination sont conçus pour être de 8 bits chacun étant donné que l'objectif de notre schéma est de prendre en charge > 100 nœuds. Avec ces 8 bits, nous pouvons potentiellement représenter des ID de nœud de 0 à 255 (255 est réservé aux messages de diffusion). L'indicateur de priorité est utilisé de sorte que, s'il est utilisé, le coordinateur de planification peut se référer à ces informations pour hiérarchiser les demandes provenant de nœuds spécifiques dans le réseau. Ce champ de priorité peut être utilisé pour représenter différents niveaux de priorités de message comme le spécifie la norme IEEE 802.15.6.
Figure 12. Format d'en-tête MAC.
4.3. Procédure IB-MAC
Nous présentons maintenant le fonctionnement de l'IB-MAC lors de son fonctionnement. Lorsqu'une période de supertrame commence, les informations de programmation sont transmises à tous les nœuds par le nœud coordinateur/puits dans le réseau corporel. Tous les nœuds qui participent déjà au réseau auront des informations sur le créneau de données à utiliser pour transmettre leurs données. Au cours de cette phase, les nœuds individuels synchronisent leurs temporisateurs par rapport à l'horodatage du nœud coordinateur. À partir de la phase de jonction, les nouveaux nœuds peuvent envoyer des paquets de jonction et les nœuds existants peuvent ajuster leurs débits de transmission (par exemple, demander des créneaux de données supplémentaires). Encore une fois, tous les nœuds peuvent concourir pour l'accès au canal pendant cette période ; ainsi, IB-MAC introduit un schéma d'évitement des conflits basé sur l'attente aléatoire pendant cette phase. Au cours de chaque période de jonction, un maximum de cinq nœuds peuvent rejoindre le réseau. Cela signifie qu'à chaque supertrame, idéalement, 10 nœuds peuvent rejoindre le réseau basé sur IB-MAC. Lorsque la supertrame entre dans la phase de transmission de données, tous les nœuds individuels comptent le numéro de créneau actuel pour vérifier son créneau de transmission. Cela peut être fait facilement, étant donné que le nœud synchronise fréquemment ses paquets avec le coordinateur. Les opérations décrites ici sont résumées dans la figure 13.
Figure 13. Diagramme d'état IB-MAC pour les périphériques racine et client.
En termes de cycle de service radio, tous les nœuds doivent être éveillés et écouter les paquets entrants dans les deux phases de programmation de la supertrame. Si le nœud a déjà rejoint le réseau, il n'est pas nécessaire que le nœud garde sa radio allumée pendant les deux périodes de jonction. Seuls les nœuds qui souhaitent rejoindre le réseau ou apporter des modifications garderont leurs radios allumées à ce moment. Dans la période d'échange de données, seuls les nœuds qui doivent envoyer/recevoir des paquets doivent être éveillés pendant un créneau de données.
Si nous supposons que toutes les transmissions sont ascendantes (des nœuds individuels au coordinateur) uniquement, la paire émetteur et coordinateur doit garder leurs radios allumées pendant un seul créneau de transmission de données. Il est vrai qu'IB-MAC nécessite que le nœud coordinateur allume en permanence sa radio, mais nous permettons un cycle de service agressif au niveau des nœuds individuels. Nous prenons ce choix de conception étant donné que, dans de nombreux cas, il existe un nœud de passerelle qui interconnecte les nœuds BAN à une architecture Internet plus large et que cet appareil possède généralement plus de ressources énergétiques que les autres nœuds feuilles.
5. Évaluation
Nous évaluons maintenant les performances d'IB-MAC en comparant les performances des protocoles CSMA/CA et Slotted Aloha MAC basés sur les normes IEEE 802.15.6.
Pour évaluer les performances d'IB-MAC, nous avons implémenté un simulateur de protocole MAC basé sur des événements pour chacun des trois protocoles utilisant Java. Plus précisément, le simulateur est conçu de manière à ce que les nœuds puissent être positionnés avec différents taux de perte au niveau de la liaison et puissent être configurés pour générer une quantité donnée de trafic réseau (aléatoire). Nous préciserons ci-dessous les paramètres utilisés dans nos simulations.
À travers les évaluations, nous cherchons à comparer les performances de bon débit et les performances de cycle de service dans diverses conditions expérimentales.
Pour le MAC CSMA/CA basé sur IEEE 802.15.6, étant donné que la norme ne permet de spécifier que l'approche Slotted Aloha pour la communication du corps humain, les paramètres de conception du protocole MAC ont été tirés des parties basées sur la communication RF de la norme IEEE 802.15.6. Pour CSMA/CA et Slotted Aloha, en comparant divers réglages de paramètres, nous sélectionnons les meilleurs paramètres et les optimisons pour atteindre les meilleures performances de débit possibles. De plus, puisque notre protocole proposé suit principalement la couche PHY de la norme IEEE 802.15.6, toutes les trames des trois protocoles utilisent la même structure d'en-tête PHY. Plus précisément, la couche PHY pour les trois cas d'expérience utilise l'en-tête PHY discuté à la section 4.2. Les paramètres de mise en œuvre de chaque couche MAC sont définis dans le tableau 2.
L'intervalle de garde de la norme a été défini par défaut, 85 μs. Le créneau d'allocation de CSMA/CA et Slotted Aloha est illustré à la figure 14a,b, que nous avons extraite de la documentation standard. En ce qui concerne la taille de la fenêtre de probabilité ou de conflit pour l'attribution des créneaux de transmission, nous avons suivi les spécifications de priorité utilisateur (UP) telles que définies dans la norme IEEE 802.15.6. Chaque taille de fenêtre de probabilité et de conflit est présentée dans le tableau 3.
Figure 14. Structure des trames CSMA/CA et Aloha alloties basées sur la norme IEEE 802.15.6.
Tableau 2. Paramètres MAC dans les protocoles CSMA/CA basé sur la norme 802.15.6, Slotted Aloha, un protocole MAC IBC de pointe, et IB-MAC dans nos simulations. Tous les protocoles MAC fonctionnent dans un environnement de débit de données de 1 Mbps.
Tableau 3. Probabilité et taille de la fenêtre de contention en fonction de la priorité de l'utilisateur.
Notez encore une fois que nous avons essayé de maximiser les performances des deux protocoles MAC basés sur la norme, nous supposons donc que tous les nœuds qui peuvent être atteints dans le réseau se sont déjà joints, de sorte qu'il n'y a pas d'autres nœuds qui doivent se joindre au réseau. , et le champ d'allocation de créneau (c'est-à-dire RAP1) remplit la supertrame globale (comme indiqué sur la figure 15) sans aucune période de balise supplémentaire, et nous définissons la taille de la charge utile MAC à son maximum de 255 octets.
Figure 15. Supertrame IEEE 802.15.6 basée sur des balises.
En plus de comparer avec les deux approches standardisées, nous introduisons une comparaison supplémentaire avec un schéma de l'état de l'art proposé plus récemment par Phang et al.
Ce schéma, comme brièvement mentionné dans la section 2, est un protocole MAC basé sur TDMA récemment proposé pour les systèmes IBC. L'objectif de Phang et al. consiste à configurer une structure de supertrame de taille variable, en ajoutant de nouvelles sous-supertrames basées sur des balises par unités de 8 créneaux de transmission de données. Pour ce travail, nous configurons la couche PHY de ce protocole de Phang et al. pour qu'elle soit la même que les autres protocoles MAC de notre intérêt pour effectuer des comparaisons équitables. Un résumé des paramètres utilisés est présenté dans le tableau 2.
En ce qui concerne le scénario expérimental du réseau, pour toutes les expériences, nous configurons un réseau de 20 nœuds, dans lequel les 20 nœuds demandent en permanence des créneaux de données supplémentaires. Un créneau de données est demandé à chaque intervalle de supertrame pour le CSMA/CA, Slotted Aloha et Phang et al., et pour IB-MAC, les nœuds se disputeront librement les 10 créneaux de jonction disponibles à chaque supertrame.
Les 20 nœuds sont configurés pour être connectés via un saut unique au nœud coordinateur et, sauf indication contraire, nous ne configurons aucune perte de liaison sur l'environnement du canal de corps.
5.1. Goodput
Nous commençons d'abord par comparer les performances de bon débit de chaque protocole pour montrer si IB-MAC présente des performances de bon débit comparables avec d'autres protocoles (IEEE 802.15.6 Slotted Aloha et CSMA/CA, protocole MAC TDMA de pointe pour IBC) et aussi pour voir s'il peut satisfaire les exigences de débit élevé des applications exigeantes. Sur la base des paramètres MAC décrits dans le tableau 2, le CSMA/CA basé sur IEEE 802.15.6 peut potentiellement atteindre un bon débit allant jusqu'à ∼600 kbps, et Slotted Aloha peut atteindre jusqu'à ∼330 kbps. Bien que ces chiffres concernent les cas optimaux extrêmes, nous pouvons voir un grand écart entre les deux protocoles MAC. Cela est principalement dû au fait que dans Slotted Aloha, chaque longueur de créneau (basée sur la norme) doit être définie comme le double du délai de transmission des paquets, composé de la transmission des données, de l'intervalle de garde et des périodes d'accusé de réception. IB-MAC, d'autre part, garantit un maximum de 452 kbps de goodput basé sur une analyse optimale.
Bien que les valeurs ci-dessus correspondent au scénario optimal, nous présentons maintenant les résultats d'une étude de simulation sur les performances des trois protocoles MAC qui nous intéressent. Le simulateur est conçu sur mesure comme un simulateur basé sur des événements implémenté en Java. Nous prenons les paramètres discutés dans le tableau 2 pour la mise en œuvre de chaque protocole MAC dans notre simulateur. En outre, les probabilités de transmission de données dans une opération de supertrame sont déterminées à l'aide des spécifications standard comme dans le tableau 3. Dans la figure 16, nous présentons les bonnes performances de débit obtenues par chacun des protocoles MAC pour différentes quantités de demandes de données sur les appareils individuels. Une fois de plus, nous concevons un réseau dans lequel jusqu'à 20 nœuds demandent d'envoyer des données à un nœud central dans le réseau corporel basé sur IBC. Au fur et à mesure que l'axe des x augmente, les nœuds du réseau demandent plus de créneaux de transmission de données, en particulier, un créneau de données supplémentaire est demandé sur une base par supertrame. La seule exception ici est que dans IB-MAC, puisque plus d'un nœud peut envoyer des messages de jointure dans la période de jointure, dans le cas idéal, jusqu'à 10 créneaux peuvent être alloués en même temps, mais, comme mentionné, cela se produit sur une base de contention. Tous les nœuds du réseau demandent uniformément le même nombre de créneaux de données et nous supposons que les 20 nœuds sont physiquement à égale distance des nœuds coordonnateurs. Toutes les transmissions à un intervalle de données sont pour la taille maximale de l'intervalle de transmission de données (longueur de charge utile maximale). Les résultats de la figure 16 montrent que, bien que les protocoles présentent des comportements légèrement différents pour différentes valeurs de priorité utilisateur (UP), IB-MAC affiche les meilleures performances de débit. Pour IB-MAC, même lorsque le réseau demande plus de 420 kbps, le goodput ne se stabilise pas tant que les nœuds ne peuvent pas rejoindre avec succès le programme de supertrame.
C'est un effet des phases de jointure basées sur la contention de notre supertrame. Néanmoins, notez que le schéma basé sur CSMA/CA montre une bonne décroissance après avoir demandé 350 bits par seconde (bps) même dans le meilleur des cas.
La meilleure performance de cas pour CSMA/CA est de ∼300 kbps. Des désintégrations similaires peuvent également être observées à partir de Slotted Aloha. Nous notons qu'une telle dégradation des performances avec l'augmentation de la demande de trafic est due à la congestion que ces protocoles introduisent sur le réseau. D'autre part, alors que IB-MAC montre également une performance fluctuante au début de la phase de configuration du réseau (principalement en raison de l'effet des nœuds participant à la contention dans la « phase de jonction »), une fois que les créneaux sont tous alloués aux nœuds, le réseau bien mis se stabilise. Il est vrai que de nouveaux nœuds (ou des nœuds existants) peuvent demander des créneaux supplémentaires, mais si l'allocation de créneaux est pleine, le nœud coordinateur dans IB-MAC ignorera ces demandes de jonction pour desservir le trafic des nœuds existants. Notez que les paramètres détaillés utilisés pour CSMA/CA et Slotted Aloha sont les meilleurs paramètres de performance basés sur des études empiriques avant de collecter les données de simulation pour ces graphiques.
Figure 16. Comparaison de Goodput pour IB-MAC et schémas comparés.
En comparant les performances avec Phang et al., nous pouvons voir qu'IB-MAC sature à un goodput beaucoup plus élevé. En effet, les performances de Phang et al. sature à ∼175 kbps, en raison de la structure variable de leur architecture de supertrame ; si plus de créneaux sont demandés, la longueur de la supertrame augmente simplement. Par conséquent, la quantité de données envoyées dans un laps de temps donné ne change pas de façon spectaculaire. De plus, étant donné un intervalle de données court de 16 octets, un temps de garde de 125 μs peut être considéré comme trop de temps système, ce qui limite le bon débit maximal du protocole. Nous soulignons que les performances observées à partir de nos simulations correspondent à celles rapportées par Phang et al. dans leur travail; ainsi, cela sert de preuve que notre simulateur personnalisé fonctionne correctement et peut également être utilisé dans nos expériences. Contrairement à ce long temps de garde, IB-MAC, basé sur des études empiriques, configure le temps de garde pour qu'il soit égal au temps de transmission de 1 octet. Avec le débit de données de 1 Mbps que nous utilisons dans nos évaluations, cela se traduit par 8 μs, ce qui est beaucoup plus petit que le temps de garde des autres protocoles MAC comparés. A noter que les travaux de Phang et al. n'inclut aucune période d'accès de contention et suppose que tous les nœuds ont déjà « rejoint » le réseau corporel. Par conséquent, il n'y a pas de différence de performances pour différentes valeurs de priorité utilisateur (c'est pourquoi cette figure se compose d'un tracé à une seule ligne).
5.2. Cycle de service
Étant donné que l'un de nos principaux objectifs est de maintenir un profil de faible puissance pour les nœuds IBC, il est important que nous puissions économiser les ressources énergétiques en allumant et en éteignant le composant radio. Par conséquent, le cycle de service de la radio a un impact direct sur la durée de vie du système de réseau corporel. Par conséquent, nous présentons maintenant le rapport cyclique radio que chacun des trois protocoles MAC peut atteindre. Encore une fois, les paramètres et le scénario d'attribution des créneaux sont conservés comme dans l'expérience de goodput précédente. Nous veillons également à ce que la longueur des différents types de créneaux dans les protocoles IEEE 802.15.6 MAC n'affecte pas le rapport cyclique radio.
Dans la figure 17, nous traçons le rapport cyclique radio pour nos trois protocoles MAC d'intérêt. Sur l'axe des x, nous augmentons le nombre de supertrames de manière séquentielle, ce qui signifie qu'une période de supertrame passe pour chaque tick de l'axe des x ; ainsi, un nouveau nœud se joint si possible. Pour IB-MAC, nous augmentons le nombre de supertrames jusqu'à ce que toutes les trames soient pleines et que le rapport cyclique sature. Une fois IB-MAC stabilisé, nous observons un rapport cyclique d'environ 9 % pour toutes les conditions UP. Cependant, les méthodes CSMA/CA et Slotted Aloha montrent plus de variance avec des UP variables.
Quantitativement, pour CSMA/CA, alors que le rapport cyclique reste faible avec de faibles UP, puisque les nœuds se disputent plus activement le canal à des UP élevés, les rapports cycliques augmentent également en conséquence. La même tendance vaut également pour Slotted Aloha pour les mêmes raisons.
Figure 17. Performances du cycle de service d'IB-MAC et des protocoles comparés.
Alors que, dans certains cas, le cycle de service radio est inférieur pour CSMA/CA et Slotted Aloha par rapport à IB-MAC, si nous comparons pour les mêmes niveaux de débit, nous soutenons que IB-MAC affiche une performance compétitive. Le cycle de service relativement élevé d'IB-MAC est principalement dû aux longs temps de réveil pour échanger les programmes dans les périodes de balise. Ce nombre peut être davantage optimisé et ajusté en n'échangeant que le calendrier qui change et en prenant en charge des tailles de supertrame dynamiques. Nous prévoyons d'examiner ces questions dans le cadre de nos travaux futurs.
Les performances de Phang et al., tel que présenté à la figure 17c, montre que le rapport cyclique sature à environ 4 % avec l'augmentation des débits de données demandés. En comparant cela avec celui d'IB-MAC, on peut remarquer que le point de saturation pour Phang et al. est inférieur à IB-MAC pour montrer une performance plus économe en énergie. Cependant, en combinant ce résultat avec les diagrammes de goodput de la figure 16, nous pouvons voir qu'IB-MAC, par rapport à un protocole de pointe récemment proposé, atteint un goodput beaucoup plus élevé et est plus adapté aux applications du système IBC qui prendre en charge des débits de données élevés. Par conséquent, lors de la prise en charge d'exigences aussi élevées, les performances du cycle de service sont sacrifiées. Un examen plus approfondi de la figure 17 suggère que, à des débits de données demandés similaires jusqu'à ∼175 kbps, les performances du cycle de service d'IB-MAC sont similaires à celles de Phang et al.
5.3. Latence
Ensuite, nous observons la latence observée des transmissions de paquets pour les quatre protocoles différents qui nous intéressent. Nous définissons la latence d'un paquet livré avec succès comme le temps entre l'intention initiale d'envoyer un paquet aux émetteurs individuels, jusqu'à ce que le nœud récepteur reçoive le paquet. Plus précisément, pour les protocoles basés sur une supertrame, nous supposons que les intentions de transmission de paquets pour tous les nœuds participants (le cas échéant) ont lieu au début de la supertrame. Notez que nous calculons la latence uniquement pour les paquets qui sont livrés à la destination. En d'autres termes, les paquets auxquels aucun intervalle de données n'a été attribué sont éliminés du calcul de la latence.
Les résultats de latence présentés à la figure 18 montrent qu'IB-MAC présente une performance de latence saturante à environ 25 ms, les deux normes IEEE 802.15.6 saturant à des valeurs plus élevées. Pour Phang et al. [9], les performances de latence montrent une tendance à la hausse linéaire. Étant donné que la taille de la supertrame est proportionnelle aux tranches de données demandées, davantage de demandes de tranches de données conduiront à de longues longueurs de supertrame. Naturellement, du point de vue d'un nœud unique, sa possibilité d'envoyer son prochain paquet sera retardée à mesure que les créneaux de données demandés dans le réseau augmentent.
Figure 18. Performances de latence d'IB-MAC et des protocoles comparés.
5.4. Impact de la perte de paquets
Enfin, nous examinons l'impact de la perte de paquets sur les performances du goodput. Pour cette expérience, nous avons configuré le canal pour introduire un taux d'erreur aléatoire sur les paquets (PER) de 2, 4, 6, 8 et 10 %. Dans de tels réseaux avec perte, nous examinons comment les performances de bon débit de chaque protocole MAC sont affectées. Pour des comparaisons de débit équitables, les quatre protocoles MAC sont configurés de sorte que les retransmissions dues à la perte de paquets soient supprimées.
Comme le montre la figure 19, tous les protocoles sont presque également impactés par les changements de PER. Pour les protocoles standard IEEE 802.15.6, nous avons défini la priorité utilisateur sur UP0, qui a montré les meilleures performances dans des conditions de canal avec perte. Pour IB-MAC, nous présentons les résultats des expériences utilisant UP3, qui montre également ses meilleures performances. Notez d'après les tracés de performances du goodput IB-MAC que l'introduction d'une perte de canal entraîne une fluctuation continue du goodput et un temps plus long pour saturer à son goodput maximum. À titre de comparaison extrême, pour Phang et al., il n'y a pratiquement aucune fluctuation du goodput. Cela est principalement dû au fait que les pertes de liaison réduisent les chances que les paquets de jonction arrivent avec succès au nœud coordinateur, ce qui entraîne une instabilité du réseau dans IB-MAC. Puisqu'il n'y a pas de période d'accès explicite basée sur la contention dans Phang et al., le réseau est assez stable malgré quelques pertes de paquets aléatoires. Néanmoins, nous supposons qu'une perte de canal de 10 % ne sera pas courante pour les transmissions de paquets IBC courts étant donné que les systèmes IBC partagent de nombreuses similitudes avec les communications filaires, dans lesquelles seuls de faibles niveaux de perte de liaison peuvent être observés. Malgré la fluctuation du bon débit, les performances du bon débit d'IB-MAC dépassent toujours celles des autres protocoles MAC comparés.
Figure 19. Performances Goodput d'IB-MAC et des protocoles comparés sous divers taux d'erreur de paquet.
6. Discussion et orientations futures de la recherche
Nous soulevons maintenant quelques points de discussion intéressants liés à notre étude et présentons les futures directions de recherche que nous jugeons importantes sur les protocoles MAC et de mise en réseau pour les systèmes IBC.
6.1. Personnalisation
Contrairement au support sans fil, où les caractéristiques du canal dans les environnements inactifs sont similaires et peuvent être généralisées, les caractéristiques du corps humain peuvent varier d'une personne à l'autre. Bien que certains efforts aient été faits pour généraliser le modèle de communication du corps humain, de nombreuses études suggèrent également qu'il existe une large gamme de variabilité car les personnes ont des caractéristiques physiques différentes qui ont un impact sur la qualité de la communication, telles que l'impédance et fréquence optimale de propagation du signal. En outre, les résultats de travaux antérieurs suggèrent que les paramètres expérimentaux peuvent également avoir un impact sur les performances des systèmes IBC.
Bien que nous n'ayons identifié nous-mêmes que des changements minimes par personne, notre groupe d'étude était limité à huit personnes et avec un seul type de configuration de signal. Malheureusement, il y avait nous-mêmes des limites pratiques dans la saisie des données de nombreux participants à l'étude ; ainsi, nous voyons une étude d'utilisateurs à grande échelle pour mesurer les variations de performances de communication sous divers échantillons humains, et diverses configurations d'ondes EM importantes avant que les systèmes IBC puissent être pratiquement déployés et utilisés.
6.2. Déploiements dans le monde réel
En lien avec les points de discussion précédents, nous estimons qu'il est important de réaliser des études pilotes à grande échelle pour comprendre et concevoir des protocoles adaptés à une utilisation quotidienne. Plus précisément, nous avons besoin de mieux comprendre comment les mouvements d'une personne peuvent avoir un impact pratique sur les performances d'un système IBC de manière empirique. Ce travail offre un certain niveau d'étude empirique des ondes EM dans un corps humain, mais les mouvements que les gens font au cours de leurs activités quotidiennes peuvent former une couche supplémentaire de complexité dans la conception des protocoles de réseau/communication. Encore une fois, c'est quelque chose que nous n'avons pas pris en compte dans le cadre de ce travail, mais c'est une étape essentielle vers la réalisation de systèmes IBC pratiques.
6.3. Exigences de candidature
Le concept de réseaux corporels sans fil a introduit une variété d'applications.
Ces applications, cependant, sont si diverses que leurs exigences d'application diffèrent un peu. Considérant que les coûts de fabrication sont un élément crucial de la réalisation de la technologie, nous prévoyons la nécessité d'une étude approfondie qui résume le rôle des systèmes IBC dans les applications en réseau corporel sans fil et les exigences d'application que les différentes catégories d'applications introduisent. Ce travail se concentre sur les applications à haut débit de données, car ce domaine a été rarement étudié jusqu'à présent, mais un résumé des différentes exigences d'application peut révéler de nouveaux paradigmes de conception pour les systèmes IBC en général.
7. Conclusions
Dans ce travail, nous avons conçu un protocole MAC basé sur TDMA et sensible à la latence de transmission, IB-MAC, pour les environnements de communication intra-corporelle. La conception d'IB-MAC est basée sur les résultats d'une étude empirique menée pour capturer les schémas de propagation des ondes électromagnétiques sur un corps humain réel, et nous effectuons un ensemble de simulations pour valider les performances d'IB-MAC par rapport au canal corporel MAC. protocoles normalisés par IEEE 802.15.6 et un protocole MAC de pointe conçu explicitement pour les réseaux de communication intra-corps. Nos résultats suggèrent que les performances de bon débit d'IB-MAC surpassent les autres protocoles comparés jusqu'à trois fois, tout en présentant des performances de cycle de service radio comparables. Nous identifions également les futures directions de recherche pour la réalisation de systèmes IBC dans des applications du monde réel. Alors que, à ses débuts, nous envisageons que le canal de communication du corps humain peut être un substitut efficace à de nombreux protocoles sans fil basés sur RF que nous utilisons aujourd'hui à mesure que le nombre d'appareils augmente, nous espérons que les résultats de ce travail pourront lancer de nombreuses recherches. travailler dans ce domaine.
Contributions d'auteur
Conceptualisation, S.K. et J.K. ; Méthodologie, S.K. ; Logiciel, SK ; Validation, S.K. et J.K. ; Ressources, JK ; Data Curation, S.K. ; Rédaction—Préparation du brouillon original, S.K. et J.K. ; Rédaction—Revue et édition, J.K. ; Supervision, J.K. ; Administration de projet, J.K. ; Acquisition de financement, J.K.
Financement
Cette recherche a été soutenue par le programme Future Combat System Network Technology Research Center de l'Administration du programme d'acquisition de la défense (DAPA) et l'Agence pour le développement de la défense (ADD) (Projet n° UD160070BD).
Les conflits d'intérêts
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.
Références : https://www.mdpi.com/1424-8220/19/2/341