Control and monitoring by wireless body area networks (WBANs)

par Tariq Benmansour

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Toufik Ahmed et de Samira Moussaoui.

Soutenue le 14-12-2020

à Bordeaux en cotutelle avec l'Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (Algérie) , dans le cadre de École doctorale de mathématiques et informatique , en partenariat avec Laboratoire bordelais de recherche en informatique (laboratoire) et de Programmation Réseaux et Systèmes (PROGRESS) (équipe de recherche) .

Le président du jury était Nadjib Badache.

Le jury était composé de Toufik Ahmed, Samira Moussaoui, Hacène Fouchal, Salim Bitam, Xavier Lagrange.

Les rapporteurs étaient Hacène Fouchal, Salim Bitam.


  • Résumé

    Le déploiement de biocapteurs sur le corps humain, en vue de la collecte des données physiologiques constitue ce qui est appelé un réseau de capteurs corporel sans fil ou Wireless Body Area Network (WBAN). Ainsi, pour assurer les communications entre les diffèrent composants des WBANs, l’organisme IEEE a établi la norme IEEE 802.15.6, comme norme de communication optimisée pour les terminaux et capteurs exigeants de faible consommation énergétique et fonctionnants dans ou autour du corps humain (mais non limitée aux humains). Dans ce contexte, plusieurs études de simulation ont été menées dans la littérature pour analyser et évaluer les performances du protocole d’accès CSMA/CA de la norme IEEE 802.15.6. De plus, des efforts ont été faits en matière de modélisation de ce protocole afin de mieux analyser les caractéristiques de la norme dans un contexte plus général. Cependant, ces modèles sont partiellement applicables aux applications WBANs qui présentent des trafics réseaux hétérogènes.Cette thèse porte sur la modélisation de la norme IEEE 802.15.6 dans le but de fournir un moyen d’évaluation et d’analyse de cette norme dans divers conditions et situations. Nous avons essayé, à travers les principales contributions réalisées dans le cadre de cette thèse de combler les lacunes des travaux existants comme suit : la première contribution concerne une évaluation des performances de la norme IEEE 802.15.6 utilisant de nombreuses stratégies de gestion des files d’attentes, dans un cadre médical réaliste (surveillance à domicile d'un patient souffrant d’un problème cardiaque). La deuxième contribution propose un modèle de gestion de file d’attente LLQ (Low Latency Queuing) comme complément au protocole CSMA/CA afin de répondre efficacement aux exigences du standard en termes de la Qualité de Service (QoS) pour certains types d’applications.La troisième contribution porte sur la proposition d’un modèle analytique permettant l'étude des performances du protocole d'accès CSMA/CA de la norme IEEE 802.15.6, en termes de latence et du taux de délivrance des paquets, sous l’hypothèse que les WBANs sont composés de nœuds hétérogènes qui génèrent un trafic hétérogène en termes de priorité.La dernière contribution traite la problématique de sécurité dans les réseaux WBANs. Elle propose un protocole de sécurité appelé "Server-Based Secure Key Management for the IEEE 802.15.6 standard" (SBSKM) qui permet au standard de pallier à la vulnérabilité d’usurpation d’identité, par l’inclusion d’un serveur de confiance, responsable de la création, de l'initialisation et de la distribution des clés de chiffrement et de leur renouvellement, ainsi que de garantir l'identité des capteurs qui se joignent au réseau.Mots-clés: réseaux de capteurs corporels (WBANs), IEEE 802.15.6, processus de renouvèlement et de récompense, files d’attente avec priorité, attaques d’usurpation d’identité.

  • Titre traduit

    Contrôle et surveillance par les Réseaux de Capteurs Corporels sans Fil (WBAN)


  • Résumé

    The deployment of several biosensors on the human body for the collection of physiological data forms what is called a Wireless Body Area Network (WBAN). Thus, to ensure wireless communications between the different components of WBANs, the IEEE has established the IEEE 802.15.6 standard, which is an optimized communication standard for low-power devices that operate on, in, or around the human body (but not limited to humans). In this context, several simulation studies have been conducted in the literature to analyze and evaluate the performance of the IEEE 802.15.6 CSMA/CA access scheme. Also, efforts have been made to model this scheme to better analyze the characteristics of the standard in a more general context. However, these models are partially applicable to WBANs applications with heterogeneous network traffic.This thesis deals mainly with a challenge related to the modeling of the IEEE 802.15.6 standard to provide a tool for evaluation and analysis of this standard in various channel conditions and situations. We have tried, through the main contributions made in this thesis, to address the shortcomings noted in existing work as follows: the first contribution concerns an evaluation of the performance of the IEEE 802.15.6 standard using numerous queue management strategies, in a realistic medical setting (home monitoring of a patient with a heart problem). The second contribution proposes an LLQ (Low Latency Queuing) queue management model as a complement to the CSMA/CA protocol to efficiently meet the requirements of the standard in terms of Quality of Service (QoS) for certain types of applications.The third contribution deals with the proposal of an analytical model allowing the study of the CSMA/CA access scheme of the IEEE 802.15.6 standard, in terms of latency and packet delivery rate under the assumption that WBANs are composed of heterogeneous nodes and that each of them generates heterogeneous traffic in terms of priority.The last contribution proposes a security protocol called "Server-Based Secure Key Management for the IEEE 802.15.6 standard" (SBSKM) that allows the standard to address the vulnerability of impersonation attacks, by including a trusted server, responsible for the creation, initialization, and distribution of encryption keys and their renewal, as well as to guarantee the identity of sensors joining the network.Keywords: Body Area Networks (WBANs), IEEE 802.15.6 standard, renewal reward process, priority queues, and impersonation attacks.


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