[論文レビュー] Ubiquitous HealthCare in Wireless Body Area Networks

Nauman Ali Khan, Nadeem Javaid+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2012

Wireless Body Area Networks参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、ユビキタスヘルスケアを目的としたワイヤレスボディエリアネットワーク（WBAN）アーキテクチャの包括的サーベイを提示しており、Bluetooth、ZigBee、MICS、UWBといった標準規格を分析し、MATLABシミュレーションを通じて体内および体表通信モデルにおけるパスロスを評価している。主な発見として、パスロスは周波数および距離に比例して増加し、深部組織モデルと比較して近接表面インプラント間モデルが最大15 dBのパスロス低減を示した。

ABSTRACT

Recent advances in wireless communications, system on chip and low power sensor nodes allow realization of Wireless Body Area Networks (WBANs).WBANs comprise of tiny sensors, which collect information of a patient's vital signs and provide a real time feedback. In addition,WBANs also support many applications including ubiquitous healthcare, entertainment, gaming, military, etc. Ubiquitous healthcare is required by elderly people to facilitate them with instant monitoring anywhere they move around. In this paper, we provide a survey on different architectures used in WBANs for ubiquitous healthcare monitoring. Different standards and devices used in these architectures are also discussed in this paper. Finally, path loss in WBANs and its impact on communication is presented with the help of simulations performed for different models of In-Body communication and different factors (such as, attenuation, frequency, distance etc) influencing path loss in On-Body communications.

研究の動機と目的

• ユビクアスヘルスケア監視に適したさまざまなWBANアーキテクチャを分析・比較すること。
• WBANにおける主要通信規格（Bluetooth、ZigBee、MICS、UWB）の性能を評価すること。
• 体内および体表通信シナリオにおけるパスロス特性を調査すること。
• 周波数、距離、組織種別がWBANにおける信号減衰に与える影響をシミュレーションし定量すること。
• 低消費電力でリアルタイムかつ信頼性の高い患者モニタリングシステムの基盤を提供すること。

提案手法

• ウェアラブルデバイスおよびサーバーベースシステムを含む、WBANアーキテクチャの体系的サーベイを実施した。
• データレート、消費電力、医療応用への適性に基づいて通信規格を評価した。
• 4つの体内パスロスモデル（深部組織からインプラント、近接表面からインプラント、体表面からインプラント）を構築し、シミュレーションした。
• MATLABを用いて体表通信の影響をシミュレーションし、周波数および距離に伴う振幅減衰、位相歪み、信号応答を分析した。
• 単純なパスロスモデルを適用し、異なる周波数帯（900 MHzおよび2.4 GHz）における結果を比較した。
• チャネル出力挙動をモデル化するために、ユニポーラ非リターン・トゥ・グラウンド（NRG）符号化データを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるWBANアーキテクチャは、ユビクアスヘルスケアにおけるリアルタイムで継続的な患者モニタリングをどのように支援するか？
• RQ2 WBAN環境における主要通信規格（Bluetooth、ZigBee、MICS、UWB）の間で、性能のトレードオフは何か？
• RQ3 体内通信モデル（例：深部組織対比して近接表面インプラント）においてパスロスはどのように変化するか？
• RQ4 周波数および距離が体表WBANにおけるパスロス、位相歪み、振幅減衰に与える影響は何か？
• RQ5 屈折、 diffraction、反射などの信号劣化要因が、WBAN通信の信頼性に与える影響は何か？

主な発見

• 近接表面インプラント間モデル（モデル3）は、深部組織インプラント間モデル（モデル1）と比較して15 dBのパスロス低減を示した。
• 近接表面インプラントから体表面へのモデル（モデル2）は、基準モデル（モデル1）と比較して6 dBのパスロス低減を示した。
• 2.4 GHz帯では、900 MHz帯と比較してパスロスが高くなった。これは周波数とパスロスの直接的な関係によるものである。
• 体表通信において、送信機と受信機間の距離が増加するにつれて、パスロスは直線的に増加した。
• 体表通信において、周波数が上昇するにつれて振幅減衰と位相歪みが両方とも増加し、信号品質が劣化した。
• チャネル出力はデータストリームに応じて変動し、1の数が多いストリームほど出力が高くなった。