Modélisation du canal et solutions d'accés multiple pour les réseaux corporels basés sur la technologie d'optique sans-fil dans un milieu hospitalier

Channel Modeling and Multiple Access Solutions for Medical Wireless Body-Area Networks based on Optical Wireless Technology

• Auteur / Autrice : Oussama Haddad
• Direction : Mohammad-Ali Khalighi, Mouloud Adel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, photonique et traitement d'image
• Date : Soutenance le 07/07/2021
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Fresnel (Marseille, France) - Institut FRESNEL / FRESNEL
• Jury : Président / Présidente : Anne Julien-Vergonjanne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohammad-Ali Khalighi, Anne Julien-Vergonjanne, Yannis Le Guennec, Laurent Clavier, Anatolij Zubow, Éric Simon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yannis Le Guennec

Mots clés

Mots clés libres

Communications optiques sans fil

Réseaux corporels

Modélisation de canal

Accès multiple

Optical wireless communications

Wireless body area networks

Channel modeling

Multiple access

Résumé

Les solutions de e-santé connaissent une popularité croissante dans un certain nombre de scénarios d’application en tant que moyens efficaces pour améliorer la qualité de vie et réduire les coûts des soins de santé. Les exemples typiques sont la surveillance en temps réel des patients dans les centres de soins et la télésurveillance des patients post-opératoires ou des personnes âgées à domicile. Ces solutions peuvent être réalisées grâce aux réseaux corporels (WBAN), où un certain nombre de capteurs médicaux situés à l’intérieur et/ou sur le corps collectent et transmettent les signes vitaux des patients à un centre médical par l’intermédiaire de coordinateurs et de points d’accès. Concernant la connectivité des réseaux WBAN, un certain nombre de solutions ont été proposées jusqu’à présent sur la base de la technologie radiofréquences (RF), utilisant principalement les bandes non licenciées. Cependant, les considérations relatives aux interférences RF, à la sécurité des données et à l’impact possible des ondes RF sur les tissus suggèrent les communications optiques sans fil (OWC) comme une alternative appropriée. Cette thèse porte sur la caractérisation et la modélisation du canal WBAN optique d’une part, et les schémas de signalisation appropriés, en particulier, pour gérer la fonctionnalité d’accès multiple (MA) de ces réseaux, d’autre part. Nous considérons d’abord la caractérisation des liaisons infrarouges (IR) intra et extra-WBAN dans un environnement hospitalier typique et étudions les effets de la mobilité et du blocage des faisceaux causés par corps du patient. Pour cela, en simulant un mouvement réaliste du patient à l’aide d’une approche de tracé de rayons Monte-Carlo, nous estimons la réponse impulsionnelle du canal (CIR) et dérivons les statistiques du premier et du second ordre des paramètres du canal tels que le gain DC, retard de propagation et le temps de cohérence. De plus, nous proposons des modèles statistiques basés sur l’approximation optimal (best-fit) et la densité de noyau (kernel densité) pour décrire la distribution de ces paramètres pour un scénario plus général. Sur la base de cette étude initiale, nous évaluons les performances de ces liaisons intra et extra WBAN en termes de probabilité de blocage et quantifions l’amélioration des performances lors de l’utilisation de plusieurs points d’accès (AP). Dans un deuxième temps, nous nous focalisons sur la transmission du signal depuis les capteurs médicaux vers un point d’accès et étudions, dans ce contexte, les schémas MA appropriés dans la couche physique (PHY) et la couche de contrôle d’accès au support (MAC). En particulier, nous étudions le schéma m-CAP MA, basé sur la modulation d’amplitude et de phase sans porteuse a bande multiple (m-CAP) et le schéma des files d’attente distribuées (DQRA). Nous démontrons l’adéquation de la signalisation DQRA aux WBAN à base optique et l’amélioration obtenue en termes de délai d’accès, et de consommation d’énergie par rapport à d’autres schémas.

E-Health solutions are gaining increasing popularity in a number of application scenarios as efficient means for improving the quality of life and reducing health-care costs. Typical examples include real-time monitoring of patients in health-care centers and tele-monitoring post-operative patients or elderly people at home. These can be realized through the use of medical wireless body-area networks (WBANs), where a number of in- and/or on-body medical sensors collect and transmit vital information to a medical center through coordinators and an access points. Concerning wireless connectivity for WBANs, a number of solutions have been proposed so far based on the radio-frequency (RF) technology, mostly using unlicensed frequency bands. However, the considerations of RF interference, data security, and the possible impact of RF waves on the tissues suggests optical wireless communications (OWC) as a suitable alternative. This thesis focuses on the characterization and modeling of the optical WBAN channel on one hand, and appropriate signaling schemes, in particular, for managing the multiple access (MA) feature of these networks, on the other hand. We first consider the characterization of the intra- and extra-WBAN infra-red (IR) links in a typical hospital environment and investigate the effects of mobility and beam shadowing due to the patient’s body. For this, simulating a realistic body movement using Monte-Carlo ray-tracing, we estimate the channel impulse response (CIR) and derive the first- and second-order statistics of the channel parameters such as DC gain, delay spread, and coherence time. Furthermore, we propose best-fit distribution and kernel-density statistical models to describe the distribution of these parameters for a more general scenario. Based on this initial study, we evaluate the performance of such intra- and extra-WBAN links in terms of outage probability and quantify the performance improvement when using multiple access points (APs). At a second step, we focus on the signal transmission from the medical sensors to an AP and investigate appropriate MA schemes in the physical and medium-access control layers within this context. In particular, we study the MA scheme based on multi-band carrier-less amplitude and phase (m-CAP), the carrier-sense MA with collision avoidance (CSMA/CA), and the distributed queuing random access (DQRA) scheme, and demonstrate the improvement achieved through DQRA signaling in terms of access delay and energy consumption.