医学传感器网络中的新型PHI/MAC跨层架构研究与设计

D. O.T.Orat的《T'ese》获得科学与技术博士学位上法兰西理工大学学科，specialites根据epecialites的名单，电子、微电子和纳米技术Preesen'eeetsoutenue由Prasa jaWIKANTA2021年3月25日，A'VAlenciennes博士学校工程科学研究团队，实验室：IEMN/DOAE实验室医学领域传感器网络中新型横向PHI/M A C架构的研究与设计（医疗保健专用无线传感器网络的陪审团：报告员M.巴苏基·拉赫玛图尔·阿拉姆M.李宏武检查员：-万隆技术研究所教授-南特大学教授（评审团Nji Raden Poespawati女士-雅加达印度尼西亚大学教授M. Rabah ATTIA-突尼斯理工学院教授。LyndaCHEHAMIConf'erence，UPHF，VAlenciennesDirecoteurdeT'ese的大师：M. Iyad DAYOUB-教师，UPHF，巴伦西亚联合主任：M. El Hadj DOGHECHE-巴伦西亚UPHF博士论文获得科学和技术博士学位上法兰西理工大学根据博士学校认证的专业列表，学科、专业电子、微电子和纳米技术由Prasaja WIKANTA主持和辩护2021年3月25日，巴伦西亚博士学校：工程师科学（SPI）研究团队，实验室：IEMN/DOAE实验室用于医疗保健的无线传感器网络的新型PHI/MAC跨层架构的研究与设计（研究和设计陪审团：评审员BasukiRachmatul ALAM先生-万隆技术研究所教授李宏武--NantesExaminers大学教授：Nji Raden Poespawati女士-雅加达印度尼西亚大学教授Rabah ATTIA-突尼斯理工学院教授。Lynda CHEHAMI-副教授，UPHF，巴伦西亚主管：先生。Iyad DAYOUB-巴伦西亚UPHF教授联合主管：El Hadj DOGHECHE先生-巴伦西亚UPHF内容首字母缩略词111导言151.1医疗保健和远程医疗1.2无线传感器网络181.3物联网1.3.1智能家居191.3.2智能城市191.3.3智能电网211.3.4智能工厂221.3.5医疗保健231.4背景和动机271.5贡献和大纲282 物联网2.1面向物联网的无线技术802.15.4ZigBee 292.1.2蓝牙302.1.3LoRA和SigFox 322.1.4 802.11WiFi 35802.15.6WBAN 372.1.6 802.11ahHaLow 382.2摘要483 物联网对医疗保健的挑战513.1802.11ah 51网络体系结构简介3.2数据安全和隐私5334内容3.3互操作性543.4身体路径损失对可穿戴传感器54的3.4.1身体路径模型543.4.2结果和讨论574借助Beacon 61实现物理层和MAC层间性能4.1跨层设计和分析614.2数据包错误率和体路径吞吐量674.2.1关于身体路径影响的研究674.2.2跨层物理/MAC的PER性能：分析与仿真4.2.3跨层物理层/MAC的吞吐量性能：分析与仿真.........................................5跨层设备的PHI/MAC原型5.1SDR用于802.11ah5.1.1USRP 835.1.2GnuRadio 845.2数据流和数据格式855.3系统设计和编程885.3.1MAC层间协议算法与编程5.3.2物理层GnuRadio编程985.3.3应用层和数据库设计1005.4原型100的评估6结论113图列表1.1智能家居图。............................................................................................................201.2智能城市图。......................................................................................................201.3智能网格图。图片由波特兰通用电气/CCBY 211.4物联网市场。............................................................................................................251.5跨层体系结构。........................................................................................................261.6印度尼西亚的领土区域（黄色：西部，绿色：中部，蓝色：东部）.............272.1LR-PAN的拓扑结构[1] 302.2LoRa和LoRaWAN体系结构。.................................................................................332.3SigFox架构[3]。........................................................................................................ 342.4IEEE 802.11系列362.5无线局域网。............................................................................................................382.6单工点到点FDM。..............................................................................................402.7子载体。....................................................................................................................422.8S1G短格式。............................................................................................................. 432.9S1G长格式。............................................................................................................. 442.10 S1G1M格式。............................................................................................................442.11 IEEE 802.11ah的频率。............................................................................................ 462.12 IEEE 802.11ah的MAC格式。................................................................................... 472.13 图表系统。................................................................................................................493.1网格拓扑523.2点对点拓扑523.3使用外部路径的802.11ah范围。.............................................................................563.4户外模特和人体模特的路径。...............................................................................583.5802.11ah的范围，使用外部路径和体路径。........................................................594.1衰减通道模型的单位步长近似PER。....................................................................6356图列表4.2802.11ah的PER性能。.............................................................................................. 644.3DCF模型。................................................................................................................ 654.4802.11ah的吞吐量与有效负载大小。.................................................................... 664.5802.11ah（带主体路径）的PER性能。..................................................................694.6PER分析。.................................................................................................................704.7使用P体7%进行PER分析。...............................................................................................714.8吞吐量与距离的曲线。.....................................................................................724.9吞吐量分析。............................................................................................................734.10 P体的PER模拟= 5%。......................................................................................................744.11 p体的 吞 吐 量 模 拟 = 5%。............................................................................................ 754.12 P体的PER模拟= 7%。......................................................................................................764.13 p体的 吞 吐 量 模 拟 = 7%。............................................................................................ 774.14 P体的PER模拟= 10%。....................................................................................................784.15 p体的 吞 吐 量 模 拟 = 10%。.......................................................................................... 795.1简单的SDR说明。....................................................................................................825.2USRP B200，Ettus的产品之一。............................................................................ 835.3户外体验。................................................................................................................845.4室内实验。................................................................................................................845.5物理层和MAC层的互连。...................................................................................... 855.6传输前MAC层缓冲区的状态示例。......................................................................865.7分析数据格式。....................................................................................................... 875.8带传感器的Arduino配置。...................................................................................... 895.9带传感器的Arduino配置。...................................................................................... 895.10 传感器数据结构表。......................................................................................... 905.11 Web服务器和Web客户端的连接图。.................................................................... 915.12 服务器从Web客户端接收请求的算法。............................................................... 915.13 原始802.11的算法。......................................................................................................... 935.14 交叉层算法。............................................................................................................945.15 传输后MAC层缓冲区的状态示例。......................................................................955.16 GNUradio中的收发器设计。...................................................................................965.17 Wireshark的屏幕截图。........................................................................................... 995.18 Gnuradio802.11ah发射机。...............................................................................1005.19 Gnuradio802.11ah接收器。.....................................................................................1015.20 接收器星座图。......................................................................................................102图7列表5.21 频谱为900 MHz。...................................................................................................1035.22 940 MHz的频谱。...................................................................................................1035.23 功率测量配置。......................................................................................................1045.24 产生频率为902.5MHz的单音信号。.................................................................... 1055.25 频谱为902.5MHz。..........................................................................................................1055.26 SNR作为室外测量中距离的函数。..................................................................... 1065.27 室外测量中作为距离函数的分组丢失率。.................................................. 1075.28 室内实验1085.29 通道测量109的插图5.30 传感器接口的屏幕截图。.....................................................................................1118图列表表列表2.1蓝牙频率通道。........................................................................................................312.2IEEE 802.11ah物理层参数2.3IEEE 802.11ah试点位置432.4S1G PPDU字段452.5用于2MHz带宽通道的2.6802.15.1、802.15.4、802.15.6和802.11ah的比较....................................................484.1仿真中使用的参数。............................................................................................... 675.1室外实验参数1045.2数据库和串行监控之间的温度比较。...........................................................110910表列表首字母缩写词确认确认ADC模拟到数字转换器AID关联标识符AP接入点API应用程序编程接口BER位错误率低功耗二进制移相键控BSS基本服务集基本服务集标识符COFDM编码的FDMCOPD慢性阻塞性肺病CP循环前缀具有冲突避免功能的Carrier Sense多路访问CSS Chirp扩展频谱CW竞争窗口DA目的地地址DAC数字到模拟转换器直流电DCF分布式协调功能离散傅里叶变换DIFS DCF帧间空间DL MU-MIMO下行链路多用户MIMO数字信号处理1112首字母缩写词DSSS直接序列传播频谱心电图EEG脑电图欧盟欧洲联盟FCS帧检查序列FEC前向纠错FFD全功能设备快速傅里叶变换FHSS跳频扩展频谱先进先出先进先出FPGA现场可编程光栅阵列GI防护间隔GMSK高斯最小移位键GPP通用处理器HRQL健康相关生活HTTP超文本传输协议I/Q相位/平方IC集成电路载波间干扰信息和通信技术ICU重症监护室IDFT逆离散傅立叶变换IEEE电气和电子工程师协会物联网IP互联网协议ISI符号间干扰ISM工业、科学和医疗JSON JavaScript对象表示法KEMDIKBUD印度尼西亚教育和文化部图KEMENRISTEK印度尼西亚研究和技术部无首字母缩略词13局域网失去视线LPWAN低功耗广域网LR-PAN低速率无线个人区域网络MAC介质访问控制MAN Metropolitan Area Networks MCS调制和编码方案MIMO多输入多输出MRI磁共振成像多个用户NAV网络分配向量NDP空数据包NTP网络时间协议O-QQ偏移-正交移相键控正交频分多路复用PC个人计算机PDU协议数据单元每个分组错误率Hubert Curien的PHC合作物理物理PLR分组丢失率PPDU物理层协议数据单元PSK移相键控QoS服务质量发源于接收STA地址的四移相键控RARAW限制访问窗口RF射频RFD简化功能装置RPS原始参数集RTS/CTS发送请求/清除发送Rx接收器源地址14首字母缩写词SC子通道SDR软件定义的无线电SER符号错误率SIFS短帧间空间单输入单输出SNR信噪比比片上SoCSQL标准查询语言STA工作站SU单用户TA传输STA地址TBTT目标信标传输时间TCP/IP传输控制协议/Internet Pro-协议到达TGah的TDOA时间差IEEE802.11ah任务组TX发射机UDP用户数据报协议UHD USRP硬件驱动程序UHF超高频USB通用串行总线UG超声检查USRP通用软件无线电外围甚高频VHT甚高吞吐量WBAN无线局域网无线局域网无线传感器网络无线传感器网络第一章引言1.1医疗保健和远程医疗如今，人们对健康的需求非常高。所有人都意识到并积极主动地了解自己的健康状况。人们如何管理自己的疾病？通过了解自己的健康状况，一个人可以了解自己的早期疾病，并采取预防措施。特别是对于那些患有慢性病的人，需要适当管理。他们需要定期检查自己的健康状况，并接受长期治疗。如果不加以管理，将导致治疗费用增加。为了能够控制自己的疾病，患者需要了解自己的身体状况，如血压、体重、体温等。自我健康评估被称为健康相关生活质量（HRQL）。HRQL的特点是个人在日常锻炼中对自己的健康和工作水平进行评估，包括身体、心理和社交能力;对健康、运动和情绪健康的总体看法。HRQL已成为考虑慢性病患者的基本理念[4]。这种管理被归类为医疗保健，尽管医疗保健的定义非常宽泛。任何具有良好健康的行动都被认为是医疗保健，如预防和诊断疾病、损伤或疾病药物治疗。在这份手稿中，我们强调健康监测作为医疗保健。健康状况的测量，从最简单的测量体重、身高、血压、心率到更复杂的设备，如脑电图（EEG）或磁共振成像（MRI）脑部扫描，通常在诊所或医院进行。患者也可以在这些地方进行体检。然而，对于诊所或医院的体检，需要预约和旅行时间，这1516第一章。 引言对一个生病的人来说，这绝对是一种严重的感觉。技术的发展使我们能够使用便携式医疗设备轻松了解身体的状况，而这些设备以前必须由医院的合格人员操作。但有时，自我检查需要一个cumbersome设备，数据必须通过物理或电子方式提交给医生或护士。通过常规测量，患者可以检测到疾病的症状。在医院，病人，特别是那些在重症监护室的病人，需要持续的监测和密切的关注，以应对可能的危机和挽救生命。这些监测系统使用传感器来收集生理信息，这些信息被分析并存储在云中，卫生工作人员可以分析这些信息。许多卫生专业人员一起工作，然后通过分析传感器收集的数据流，根据每个专业对患者进行检查然后识别风险患者的紧急情况（紧急或紧急手术患者、心脏病患者等）。这将是一个容易的任务。远程监控是许多现实世界应用的重要范例。今天，在世界各地，由于缺乏有效的医疗保健监测，许多人的健康可能会受到影响。老年人、儿童或慢性病患者几乎每天都需要接受检查。由于他们的病情危急，有时他们的健康状况得不到注意，直到疾病发展到危机阶段。远程访问传感器帮助护理人员在事情出错之前进行预诊断和早期干预。许多患有慢性疾病（如心肺疾病、哮喘和心力衰竭）的患者远离医疗保健设施。通过无线监测系统对此类患者进行实时监测是最有前途的应用。一些实时医疗保健监测系统是远程患者跟踪和监测系统、心脏患者的远程监测和心跳监测系统。实时监测系统由远程医疗监测单元和监测中心组成。它基于实时分析分析来自传感器的信息，并将出现警告信号以进行紧急情况和诊断。来自身体传感器的信号被带到相应的医疗中心一种有线或无线电信系统，称为远程医疗。根据韦氏词典，远程医疗是使用双向语音和视觉通信（如通过计算机或蜂窝电话）向单独位置的患者提供远程医疗。因此，这种实时监测系统提供了关于患者健康状况的信息，它还可以因此，它为医疗保健行业提供了准确、实时的监控系统。 它还有助于更快地检测输入传感器并挽救生命。1.1.医疗保健和远程医疗17在欧洲，有几个利用互联网监测健康的项目。由于互联网是一种电信手段，因此这包括在远程医疗中。例如，eLECTOR，由欧盟资助的风湿病学电子健康远程医疗项目，2015-2018年[6]。在家的患者将进行血液测试，并回答在线问卷，并将结果提交到互联网上。这些信息将由医生查看，医生将可用于在线咨询。根据他们发表的论文[7]，这一提议的一个相关结果是：一些患者第一次连接到信息和通信技术（ICT）平台（互联网）时遇到困难，因为它需要配置，而其他患者则被用于提醒的短消息服务（SMS）文本消息所2012年在丹麦实施了另一个远程医疗应用程序[8]。欧登塞大学医院为慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者创建了一个简报。该"患者简报"中填充了收集肺和血氧水平数据的说明和医疗工具，因此患者可以在家住院并连接到互联网进行远程监测和远程监测。需要技术人员在首次安装简报时协助患者。一个新的远程医疗项目，结束日期为2021年6月30日，是THALEA II。作为欧洲联盟（EU）患者个性化护理计划的一部分，THALEA II是欧洲ICT辅助医院的远程监护和远程医疗，用于挽救合并症患者的生命。THALEA II安排的主要用途是为远程ICU焦点提供额外的观察和区域重症监护室（ICU）警告。尽管如此，社区医生仍然负责病人，并负责治疗。THALEA II安排将以密集的视图显示位于不同区域ICUs的患者的当前状态和重要治疗，提供更大数量（每个工作场所100-150）的患者大纲。图形肖像将使远程ICU的医务人员能够专注于区分生理强度或不稳定的患者，以及晚期器官功能障碍。还有2020年的欧洲项目FORTO [10]。Forto的目标健康的早期变化很难调查，因为目前存在的估计数对变化不敏感。FORTO允许识别微小变化。FORTO可用于各种用途，例如在不同技术认识到总体健康状况恶化的一些时间之前，作为早期通知框架FORTO可能适用于监测和区分老年患者回国后的产后恢复。18第一章。 引言FORTO包括一个弹性灯泡，可以与手机远程配对。该框架将允许通过估计老年人所能施加和支持的最大力量来自我评估肌肉疲劳，直到他们的手部力量下降到最极端的一半。通过使用老年人的手机的应用程序远程确认高效的后续操作，这同时使框架成本更低且非常易于使用。所有这些传感器实际上可以连接在一起以创建无线传感器网络。亨斯，我们可以在一个中央监控设备中一次监控所有传感器，无需电缆1.2无线传感器网络电信技术的发展已经产生了称为无线传感器网络（MSN）的网络。无线传感器网络使我们能够在近距离或远程无线监控中提供有效且经济高效的解决方案。这些网络可用于监控各种领域的各种应用，如医疗保健、家庭自动化、工业、农场和森林。由于其目前的一些应用和未来的潜力，无线传感器网络受到了越来越多的关注无线传感器网络由具有要从环境获取信息的传感器的无线设备组成。此设备称为传感器节点。传感器根据我们想要获得的信息而变化。然后，信息将被收集到称为主站的数据收集传感器节点使用无线电信号进行通信一些传感器节点可以从传感器节点直接连接到主站，或者其他传感器节点在到达协调器节点之前必须通过多个路由器。通常，路由器节点和主站具有比传感器节点更高的能力。 传感器节点在电池寿命、内存和处理方面具有限制。传感器节点通常由不可充电电池供电。我们通过将无线传感器网络连接到互联网来实现物联网能源使用是无线传感器网络面临的主要挑战。如前所述，传感器节点具有有限的电池寿命，它有效地使用能源。 亨斯，这也是我们的主要关注点我们设计自己的解决方案。1.3物联网许多人希望所有的东西都能自动运行，目标当然是让我们的生活更轻松。从制造业开始，制造商品，电子设备，汽车等等，直到现在它进入我们的日常生活。使用传感器进行自动浇水1.3.物联网19植物、加热装置和空调。我们可以根据传感器数据确定自动化的参数。我们还可以通过将传感器读数存储在数据库中来查找传感器读数的历史记录。这些传感器与互联网的连接将导致物联网（IoT）设备。物联网是最新的技术术语，是连接到互联网的设备或传感器的集合。这里，因特网不一定是全局连接;相反，局域网（LAN）也是可能的，只要它支持传输控制协议/因特网协议（TCP/IP）。大多数物联网设备使用无线连接来确保移动性和便携性。然而，无线设备具有一些基本问题，例如功耗、噪声和无线通信的干扰。当我们想通过互联网控制系统的条件/参数时，就会出现一种技术，通过互联网控制和发送读取数据，并将数据存储在云中。因此，可以随时随地远程控制或读取系统。物联网正在发生。无处不在的蜂窝连接、传感器设备的小型化以及更低的硬件和连接成本正在推动物联网的发展。物联网支持通过通信网络对对象进行远程感知和控制。创建物理世界与计算机化系统的直接集成物联网已被证明适用于不同的行业，每个行业都有不同的需求和条件。有几个重要的物联网实施，将予以解释下面：1.3.1智能家居第一个实现是Smarthome，它收集所有家庭监控系统，并根据监控系统的数据控制家庭设备。虽然传感器可以检测到温度的变化，但空调系统可以被监控。家庭安全摄像头可以捕捉入侵者，并通过移动应用程序向房主发送警报图1.1显示智能家居设备1.3.2智慧城市另一个实施是智能城市，这使得城市政府很容易监督公共服务，以及监测交通堵塞，空气质量，学校，甚至垃圾桶的状况也可以通过使用物联网来监测。使用路灯的效率也可以提高，甚至进一步，通过监测电网，城市可以监测其能源消耗。在物联网设备数据的帮助下，市议会的决策将变得更加容易。图1.2显示了智能城市的示意图。20第一章。 引言图1.1：智能家居图图1.2：智能城市图。