Etude et conception d'une nouvelle architecture transversale PHY/MAC pour les réseaux de capteurs sans fils dédiés à la télémédecine

Study and design of a new PHY/MAC Cross-Layer architecture for Wireless Sensor Networks Dedicated to Healthcare

• Auteur / Autrice : Prasaja Wikanta
• Direction : Iyad Dayoub, El Hadj Dogheche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 25/03/2021
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Hong Wu Li
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Iyad Dayoub, El Hadj Dogheche, Basuki Rachmatul Alam, Rabah Attia, Nji Raden Poespawati, Lynda Chehami
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hong Wu Li, Basuki Rachmatul Alam

Mots clés

Mots clés contrôlés

Innovations médicales

Télémédecine

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

802.11ah

Couches croisées

Soins de santé

Cross layer

Healthcare

Résumé

L’amélioration de l’accès et de la qualité des services de santé publique en Indonésie restent un grand défi. Les obstacles géographiques, la pénurie et la mauvaise répartition des spécialistes/médecins, en particulier dans les zones rurales, sont quelques-uns des défis à relever. En 2016, l’Indonésie a développé un système de télémédecine appelé "soins à domicile" pour surmonter ces défis. Ils ont créé un véhicule de santé mobile appelé "Dottoro ta" qui offre des services de santé 24 heures/jour à la communauté. Ce véhicule est équipé d’Electro- Cardio-Graphy (ECG), d’Ultra-Sono-Graphy (USG) et d’autres équipements médicaux standards. Lorsque les patients font appel à ce service, une équipe composée de médecins, d’infirmières et de chauffeurs se déplace vers l’emplacement du patient et lui prodigue un traitement approprié. Parallèlement, le développement des technologies de l’Internet des objets (IoT) offre une large opportunité d’améliorer ces services. L’IoT est un ensemble de dispositifs ou de capteurs connectés à Internet. Ici, Internet n’a pas besoin d’être une connexion globale; en effet, un réseau local (LAN) est également possible tant qu’il prend en charge les protocoles TCP/IP. La plupart des appareils IoT utilisent des connexions sans fil pour assurer la mobilité et la portabilité. Cependant, les dispositifs sans fil présentent des problèmes fondamentaux comme la consommation d’énergie, le bruit et les interférences des communications sans fil. L’IoT présente de nombreuses variantes de mise en oeuvre, notamment dans les secteurs de la santé. Aujourd’hui, les noeuds de capteurs se sont transformés en petits appareils discrets et puissants, qui peuvent être facilement intégrés dans des appareils portables tels que des montres intelligentes, des bracelets, des gants ou des boutons. Ainsi, l’IoT offre un moyen plus pratique de recueillir les données sur l’état de santé des patients à l’aide de capteurs portables, puis d’envoyer, d’analyser et de stocker les données dans le nuage. L’utilisation de l’IoT dans les secteurs de la santé est le domaine de la télémédecine, permet aux médecins et aux infirmières de récupérer des données en temps réel et d’effectuer immédiatement des diagnostics sur place, sans se préoccuper de l’installation. Cette démarche permet d’accélérer le diagnostic et aura un impact positif sur la santé du patient. En effet, le déploiement du système IoT dans le secteur de la santé présente plusieurs avantages par rapport aux systèmes filaires classiques, tels que la facilité d’utilisation, la réduction du risque d’infection, la réduction du risque d’échec, la réduction de l’inconfort des utilisateurs, l’augmentation de la mobilité, l’amélioration de l’efficacité des soins hospitaliers, et réduire les coûts d’installation. Cependant, fournir une transmission robuste sans fil est un défi dans le domaine de la santé, parce que les données de santé mises à jour en continu sont très importantes pour le traitement des patients. [....] etc.

Improving access and quality of public health services in Indonesia is still a big challenge. Geographic obstacles, shortage, and maldistribution of specialist/doctors especially in rural areas are some of the challenges to be answered. In 2016, the city council of Makassar Indonesia has developed a telemedicine system called "home care" to overcome those challenges. They created mobile healthcare vehicle called "Dottoro ta" that gives healthcare services 24 hours/day to the community. This vehicle is equipped with ElectroCardioGraphy (ECG), UltraSonoGraphy (USG) and other standard medical equipment. When patients call this service, a team consisting of doctors, nurses and drivers will move to the patient's location and gives a proper treatment. Meanwhile, the development of Internet of Things (IoT) technologies offers a broad opportunity to improve these services. Changing this equipment with IoT devices will offer a lot of advantages. IoT is the recent technological term, which is a collection of devices or sensors that have connectivity to the internet. Here, the Internet does not have to be a global connection; indeed, a Local Area Network (LAN) is also possible as long as it supports TCP/IP protocols. Most IoT devices use wireless connections to ensure mobility and portability. However, wireless devices have some fundamental issues such as energy consumption, noise and interference of wireless communication. IoT has many variations for implementation including healthcare sectors. Today, sensor nodes have changed into small, unobtrusive and powerful devices, which can be easily accommodated into wearable devices such as smart watches, bracelets, gloves or buttons. Thus, it gives more convenient way to collect the health condition data of patients using wearable sensors and then send, analyzed and stored the data in the cloud. For example, by using heart rate sensors, the conditions of the patients such as heart attacks, anxiety and stress can be continuously monitored. Another potential of using IoT on health sectors is telemedicine field, enabling doctors/nurses to perform retrieval of data in real-time and immediately perform diagnostics on the spot, without preoccupied with the installation of conventional medical devices. This will speed up diagnosis and give a positive impact on the health of the patient. Indeed, deploying IoT system in the health sector has several advantages over conventional wired systems such as ease of use, reducing the risk of infection, reducing the risk of failure, reducing user discomfort, increasing mobility, improving the efficiency of hospital care, and lower installation costs. However, providing the robust transmission in the wireless communication is a challenge in the healthcare domain, because continuous updated health data is very important for the treatment of the patients. In this research activity, we propose a new cross layer protocol to overcome this problem. The proposal takes advantages of beacon power measurements in the node’s PHY layer to determine whether there is interference from the human body or not. This information is used by the MAC layer to decide the transmission of packets. Our results show that there are significant improvements of the PER while maintaining the throughput relatively the same as the conventional protocol. We analytically show the effect of body pathloss on 802.11ah network and its effects in terms of power consumption for the healthcare sensors. We compare the standard pathloss of 802.11ah with body pathloss. We see that body pathloss increase PER and decrease throughput because the body absorbs the electromagnetic signal. We also propose a novel cross-layer algorithm to counter the effect of body pathloss. The idea is to defer the data transmission if there is a high probability of body pathloss by detecting the received power of beacon.