Wireless hub for the human intranet

par Robin Benarrouch

Thèse de doctorat en Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes

Sous la direction de Andreas Kaiser et de Andreia Cathelin.

Soutenue le 20-01-2021

à Lille , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille) , en partenariat avec Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (1992-....) (laboratoire) , Berkeley Wireless Research Center [Berkeley] / BWRC (laboratoire) , STMicroelectronics (entreprise) et de Institut d’Électronique- de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) - UMR 8520 / IEMN (laboratoire) .

Le président du jury était Hakima Chaouchi.

Le jury était composé de Andreas Kaiser, Andreia Cathelin, Jan M. Rabaey, Ove Edfors, Alvaro Araujo, Antoine Frappé.

Les rapporteurs étaient Adam Wolisz, Aziz Benlarbi-Delaï.

  • Titre traduit

    Hub sans fil pour l’intranet du corps humain


  • Résumé

    Ce travail de doctorat a été mené dans le cadre du concept Human Intranet (HI), qui propose une infrastructure déployée sur le corps humain, permettant à différents types de nœuds de communiquer. La réalisation d'une telle plate-forme est complexe, notamment en termes de transmission du signal (ondes atténuées par le corps humain), de mouvements corporels, de débit maximum suffisant, d'architecture réseau fiable et de mécanisme de communication flexible, maximisant l'efficacité globale. Pour atteindre ces objectifs, une combinaison d'un mode de communication sans fil, compatible avec le corps humain et une stratégie de mise en réseau dédiée sont nécessaires. Ce manuscrit de thèse, propose d’utiliser une technique de communication utilisant le corps humain comme moyen de propagation. Le choix a mené à une caractérisation détaillée du canal, confirmée par les résultats expérimentaux. Il s’en est suivi une analyse de l'architecture du réseau, menant à une topologie hybride, en étoiles maillées. Finalement une synchronisation, basée sur les pulsations cardiaques et un protocole MAC, ont été proposés, bénéficiant du déploiement du réseau sur le corps.Plusieurs options de communication ont été étudiées et leur efficacité, dans le cadre de Human Intranet, analysée. Nous avons étudié certaines communications RF, ainsi que celles couplées au corps humain (BCC). Parmi les mécanismes de propagation BCC possibles, le couplage capacitif (C-BCC) était l'option la plus prometteuse, compte tenu des exigences de Human Intranet. Utiliser le corps humain comme moyen de communication offre de nombreuses caractéristiques intéressantes : sécurité, sûreté et efficacité énergétique. Cependant, le mécanisme de propagation et l'atténuation attendue n'étaient pas établis. Une caractérisation du canal a été menée, avec une étude théorique, des simulations électromagnétiques et des mesures sur le corps. Finalement, un prototype, alimenté sur batterie, a été mis en œuvre, confirmant les résultats de la caractérisation. Enfin, une fréquence de fonctionnement de 450 MHz a été choisie, pour son mécanisme dominant de propagation des ondes de surface, offrant un compromis entre l'atténuation, la sensibilité de l'environnement et la largeur de bande.Une architecture de réseau hybride en étoiles maillées, sur deux niveaux, a été proposée. Les types de nœuds composant le réseau, feuilles (couche inférieure) ou hubs (nœuds principaux), sont basés sur leurs capacités de calcul, leur statut dans le réseau, l'accès à l'énergie et la quantité de données générées. Alors que les hubs sont connectés de façon maillée (ou partiellement maillée), assurant robustesse et fiabilité, les feuilles sont liées à un hub unique, en tant que topologie locale en étoiles, ce qui réduit la complexité et améliore leur consommation d'énergie. Un schéma de communication « à perforation », permettant aux nœuds à faible trafic d'interrompre les échanges principaux de données en cours au sein du réseau proposé, a été envisagé.Un protocole MAC, associant un schéma de synchronisation basé sur le rythme cardiaque, avec le mécanisme de perforation, a été imaginé et permet la synchronisation des nœuds, en détectant le signal biologique, pour établir une structure à base de superframe. Son principe a été détaillé et son architecture matérielle, au niveau du système, a été présentée. Des modèles mathématiques, basés sur des équations ont été établis, y compris les éléments constitutifs des non-idéalités. Des simulations, au niveau du système, ont été effectuées et les résultats ont été comparés à une architecture radio-cyclique commune, selon trois paramètres majeurs : la latence, la disponibilité des canaux et la consommation d'énergie du système. Une amélioration de la consommation d'énergie jusqu'à 47% et un contrôle strict de la latence, ont été démontrés, sans frais sur la disponibilité des canaux.


  • Résumé

    This Ph.D. research work has bee conducted within the framework of the Human Intranet (HI) concept, which creates a human-dedicated infrastructure allowing a wide span of IoT nodes and wearable peripherals to communicate. The realization of such a platform is challenging in terms of signal transmission due to body shadowing and body dynamics, achievable communication throughput for demanding applications, network architecture for reliability, and a flexible communication scheme maximizing the global efficiency. To fulfill these objectives, a combination of a human-compatible wireless communication modality with an associated networking strategy is required. This thesis manuscript proposes a Body-Coupled Communication scheme. The choice is motivated by a detailed channel characterization confirmed by experimental results. It is followed by a network architecture analysis leading to a custom mesh-of-star hybrid topology. Ultimately, a heartbeat-based synchronization and MAC protocol have been proposed, benefiting from the on-body network deployment.Multiple communication options have been studied and their efficiency toward the HI project analyzed. We covered some RF possibilities as well as Body Couple Communication (BCC). Following the State-of-the-Art analysis, among all possible BCC propagation mechanisms, Capacitive coupling (C-BCC) was the most promising option given the HI requirements, the compatibility with existing solutions, and the room for improvement. Using the human body as a communication medium offers numerous interesting characteristics: security, safety, and energy efficiency. However, the propagation mechanism and the expected attenuation were unclear. A channel characterization has been conducted from theory through FEM simulations to on-body and on-phantom measurements. Ultimately a battery-powered prototype (with off-the-shelve components) has been implemented, confirming the initial characterization results. Finally, a frequency of operation of 450 MHz, was chosen for its dominant surface-wave propagation mechanism, offering a trade-off between attenuation, environment sensitivity, and bandwidth. Additionally, lower attenuation per unit of distance than other existing RF solutions has been demonstrated to the cost of higher insertion losses.A two-layer mesh-of-stars hybrid network architecture has been proposed. The types of nodes composing the network, leaves (lower layer) or hubs (main nodes), are based on their computing capabilities, status in the network, access to energy, and the amount of data generated. While the hubs are connected in a mesh (or partial mesh) ensuring robustness and reliability, the leaves are linked to a unique hub as a local star topology, lowering the complexity and improving their power consumption. A puncturing communication scheme, allowing low traffic nodes to interrupt the main on-going data exchange within the proposed network has been envisioned. This approach combines the non-applicable existing communication standards' concepts with the characterized single-channel and Body Coupled Communication mechanism.A MAC layer, pairing a heartbeat-based synchronization scheme with the puncturing mechanism has been imagined. It enables the node synchronization by sensing the bio-signal of interest to define a superframe-based structure. Its principle has been detailed and its system-level hardware architecture introduced. Equation-based mathematical models have been established, including the building blocks non-idealities. System-level simulations have been performed, and the results compared with a common duty-cycled radio architecture according to three major metrics: latency, channel availability, and system power consumption. Improvement in power consumption up to 47% and tight latency control have been demonstrated at no cost on the channel availability.


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