Abstract
With the increasing demands for high-quality health-care services, medical cyber-physical systems over wireless body sensor networks have emerged as a promising solution for vital life signals monitoring. These systems require the communication protocols to be both reliable and real-time in data transmissions. IEEE 802.15.4 can be regarded as the canonical protocols in this area owing to its low-power and low-cost features. However, it falls short of reliability and timeliness guarantees. To address this issue, we propose an adaptive MAC protocol based on IEEE 802.15.4, namely Ada-MAC. The proposed protocol combines schedule-based on time-triggered protocol and contention-based CSMA/CA mechanism. It can not only enable dynamic Guaranteed Time Slots allocation but also provide differentiated services for different nodes according to their data types. The proposed protocol is implemented on the OMNeT++ platform. Extensive simulations are conducted to evaluate the performance of Ada-MAC in comparison with the traditional IEEE 802.15.4 MAC. The results show the superiority of the proposed protocol in terms of reliability and timelines
چکیده
با توجه به افزایش تقاضا برای سرویس‌های بهداشت و درمان با کیفیت، سیستم‌های فیزیکی-سایبری پزشکی که از طریق شبکه‌های حسگر بدنی بی‌سیم ایجاد می‌شوند را می‌توان به‌عنوان یک‌راه‌حل برای نظارت بر سیگنال‌های حیاتی زندگی بکار گرفت. در این سیستم‌ها، نیاز بوده تا پروتکل‌های ارتباطی ازنظر انتقال داده‌ها، قابل‌اطمینان باشند و به شکلی بلادرنگ داده‌ها را منتقل نمایند. استاندارد IEEE 802.15.4 را می‌توان به‌عنوان پروتکل‌های متعارف در این حوزه در نظر گرفت چراکه از هزینه‌ی پایینی برخوردار بوده و به انرژی انتقال کمی نیاز دارند. اگرچه این استاندارد نمی‌تواند قابلیت اطمینان و آنی بودن را تضمین نماید. برای حل این مسئله، یک پروتکل MAC انطباقی را بر مبنای استاندارد IEEE 802.15.4 ارائه می‌دهیم و آن را Ada-MAC نام‌گذاری می‌کنیم. پروتکل پیشنهادی اقدام به ترکیب پروتکل مبتنی بر زمان‌بندی و مکانیسم CSMA/CA مبتنی بر ازدحام می‌کند. این روش نه‌تنها می‌تواند تخصیص اسلات های زمانی را به شکلی پویا تضمین نماید بلکه می‌تواند سرویس ای مختلفی را برای گره‌های مختلف و بر اساس نوع داده‌ای آن‌ها فراهم سازد. پروتکل پیشنهادی بر روی پلت فرم OMNeT++ پیاده‌سازی شده است. شبیه‌سازی‌های زیادی نیز به‌منظور تقلید از کارائی Ada-MAC در مقایسه با IEEE 802.15.3 صورت گرفته است. نتایج حاصله نشان می‌دهد که پروتکل پیشنهادی ما برحسب قابلیت اطمینان و آنی بودن برتری دارد.
1-مقدمه
با توجه به افزایش فشار هزینه‌های بالای بهداشت و درمان و جمعیت رو به کهن‌سال، ضروری و مهم است که بتوان سرویس‌های بهداشت و درمان کارآمدی را برای بیماران و همچنین کهن‌سالان فراهم کرد. به‌منظور رسیدن به این هدف، سیستم‌های پزشکی سایبری-فیزیکی (MCPS) موردتوجه صنایع و حوزه‌های دانشگاهی قرارگرفته‌اند. MCPS را می‌توان ادغامی از فرآیندهای حسی، محاسباتی، ارتباطی و پزشکی دانست که می‌تواند سرویس‌های قابل‌اطمینان و بلادرنگی را فراهم سازد [17,31]. این سیستم‌ها بر روی نشانه‌های حیاتی مختلفی (مانند فشارخون، الکترودیاگرام، ودما و غیره) در بیماران و افراد مسن و آن‌هم به شکلی بلادرنگ نظارت داشته و ارزیابی‌های تشخیصی از سیگنال‌های جمع‌آوری‌شده را به‌صورت آنی فراهم می‌سازند. ضمناً این سیستم‌ها این قابلیت را داشته تا سر نخ‌های مفیدی را در اختیار پزشکان قرار داده و به آن‌ها اجازه داده تا شرایط سلامتی بیمار را از راه دور کنترل نمایند....