Power saving mechanisms for firefighters monitoring wireless body networks

Philosophy Doctorate Thesis Electronic and Computers EngineeringWireless radio channels are typically unstable medium for communications. However, due to the advent of nodes attached to the human body, the radio channel conditions experienced by the wearable nodes are quite unique in comparison to those experienced in traditional networks, such as Wireless Sensor Networks (WSNs). Wireless Body Area Networks (WBAN) are being deployed for an ever-increasing number of applications, however, the time-variant nature of the signal attenuation, phenomenon designated as fading, promotes data packet loss and hampers the WBANs of reaching their full potential. The goals of this thesis are threefold: first, we explore emergent technologies in the field of sensing such as non-intrusive wireless-enabled nodes and electrodes embedded in textile structures (e-textiles) to develop a WBAN for long-term monitoring of the user. This network is integrated into a Cyber-Physical System (CPS) which combines sensing, actuating, communications, networking, computing and control technologies to provide a better awareness of the on-going firefighting mission and to improve the safety of all elements of an emergency response team. Second, we aim to establish a better comprehension of the impact that WBAN operation scenarios have on intra-WBAN communications. Following a scenario-based radio channel characterization, it is proved that large-scale fading is the predominant effect in on-body communications. In addition, this effect varies according to the edge of the Network node location. For instance, when they are located at limbs (e.g. the user’s wrist), the mobility of the nodes leads the on-body links to frequent commutations between line (LOS) and non-line of sight (NLOS), which results on fading magnitudes of around -18 dB for 2.45 GHz communications. The Edge of the Network node located at the user’s wrist ensures both reliability and latency requirements for most of the scenarios, but with an inefficient use of the energy available. Furthermore, in-depth analysis of the on-body wave’s propagation shows that fading signal component follows a regular pattern during periodic user’s activities that matches with the user’s gait cycle period. Third, the challenges associated to intra-WBAN communications encouraged the investigation on strategies able to ensure reliability with minimum effect on other performance aspects. A Transmission Power Control (TPC) mechanism designated Proactive-TPC (P-TPC) that employs a hybrid operation principle and targets resource-constrained nodes is proposed. This solution relies on RSSI samples to approximate the fading signal during the user’s gait cycle, while the instant within the on-going gait cycle is determined using an acceleration signal. Then, the minimum radio output power, called transmission power level (TPL), needed to ensure a successful data packet delivery is estimated. The proposed P-TPC mechanism consumes nearly 35% less energy than communication systems transmitting at maximum TPL allowable on on-body communications (0 dBm). At same time, specific absorption rate (SAR) and probability of inter-network interference are improved. The P-TPC is suitable for emergency network traffic as the reliability requirement is ensured in an energy-efficient way and without sacrificing latency. A novel packet scheduler mechanism called by Power Control and Packet Scheduler (PCPS) is proposed. The advantages of Neural Networks and Fuzzy Inference Systems for modelling nonlinear dynamical systems are explored. Therefore, a model that describes the onbody channel as a function of operating environment, the relative position of the user’s arm, and the body posture is proposed. The PCPS mechanism improves the communication reliability (this approach assures around 10% less data packet loss than communications carried out at 0 dBm) at the expense of the latency, making this solution suitable for regular network traffic. Thus, this mechanism shows that unreliable links can be made reliable if data packets are transmitted at instants in which the radio channel quality is favourable for successful data packet delivery.As Wireless Body Area Networks (WBAN) estão a ser desenvolvidas para um número cada vez maior de aplicações de monitorização, substituindo as tradicionais comunicações por fios por comunicações sem fios. Estes canais são geralmente meios de comunicação bastante instáveis, contudo, devido ao advento de dispositivos vestíveis, as condições a que os canais estão sujeitos são bastante singulares em comparação com as vivenciadas pelas redes sem fios tradicionais. A natureza variante no tempo das atenuações sofridas pelo sinal transmitido, fenómeno chamado de fading, é a principal razão para a baixa fiabilidade das comunicações quanto realizadas em redor do corpo humano. Este fenómeno promove a perda constante de pacotes de dados, o que impossibilita as WBANs de alcançarem todo o seu potencial. O trabalho de investigação aqui apresentado tem três objetivos principais: primeiro, as tecnologias emergentes nas mais diversas áreas são exploradas de forma a implementar uma WBAN para a monitorização a longo prazo de bombeiros no teatro de operações. Esta rede é integrada num Cyber-Physical System (CPS), que implementa um sistema distribuído de monitorização de equipas de emergências através da combinação de diversas tecnologias para a deteção, atuação, comunicação, rede, computação e controlo do sistema proposto. O segundo objetivo visa estabelecer uma melhor compreensão do impacto que as especificidades dos cenários de operação têm nas comunicações da WBAN. Uma abordagem de caraterização do sinal baseada em cenários é adotada. Este estudo demonstra que a componente large-scale fading do sinal (que provém das obstruções criada pelo corpo e sua mobilidade) é o efeito predominante nos sinais transmitidos (na banda Industrial Sientific and Medical) e que a sua magnitude vária com a localização dos nós. Para nós localizados em membros móveis do corpo humano, o canal de comunicação entre recetor e transmissor está em constante comutação entre a existência e a ausência de linha de visão, o que se traduz em large-scale fading próximas de -18 dB. Por exemplo, para o nó localizado no pulso, um dispositivo padrão é capaz de assegurar os níveis fiabilidade exigidos pelas aplicações e latências inferiores aos limites máximos impostos pelo grupo de trabalho IEEE 802.15.6 contudo, a fonte de energia disponível é utilizada de forma ineficiente. Em terceiro lugar, os desafios encontrados pelas WBANs encorajaram os autores a investigar estratégias capazes de garantir comunicações fiáveis mas sem comprometer os outros requisitos de desempenho. Assim, um mecanismo do tipo Transmission Power Control (TPC), designado Proactive-TPC (P-TPC), é proposto. O P-TPC adota um princípio de operação hibrido e visa dispositivos com recursos limitados. Esta solução utiliza as amostras da força do sinal recebido para aproximar a componente fading do sinal durante um ciclo de marcha, por sua vez, a aceleração sentida pelo nó é utilizada para identificar, em tempo real, o estado do ciclo de marcha. Assim, em qualquer instante, o sistema é capaz de determinar a qualidade atual do canal e estimar a potência de transmissão mínima necessária para garantir a entrega do pacote de dados no destinatário. A solução P-TPC consume menos 35% energia que os sistemas de comunicação que transmitem dados à potência de transmissão máxima permitida em WBANs (0 dBm). Ao mesmo tempo, minimiza a taxa de absorção específica (SAR) e a probabilidade do sistema interferir com redes coexistentes. Este algoritmo é adequado para trafego de dados de emergência, pois garante comunicações fiáveis com um consumo energético eficiente e sem sacrificar a latência das transmissões. Finalmente, um mecanismo do tipo Packet Scheduler, chamado Power Control and Packet Scheduler (PCPS), é proposto. Este mecanismo explora as vantagens das redes neuronais e dos sistemas de inferência Fuzzy para descrever sistemas dinâmicos não lineares e criar um modelo capaz de descrever os canais radio das WBANs em função do ambiente de operação e da posição relativa do braço e postura do utilizador. A solução proposta aperfeiçoa a fiabilidade das ligações à custa da latência, o que faz desta solução adequada para canais radio aquando o trafego de dados normais. O PCPS assegura até menos 10% de pacotes de dados perdidos nas transmissões do que sistemas que transmitem à máxima potência permitida em WBANs. Esta solução demonstra que ligações não fiáveis tornam-se confiáveis se os pacotes de dados forem transmitidos apenas nos instantes em que a qualidade do canal de comunicação é favorável à entrega de pacotes bem-sucedidas.This work was supported by the Foundation for Science and Technology (FCT) of Portugal under Grant SFRH/BD/92082/2012