Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de ComunicaçõesThe emerging field of wireless body area networks (WBAN) has the potential to play an
important role in everyday life, and there are many industries such as health, sports and
entertainment that can take advantage of these networks. The wireless monitoring of users’
physical state, in indoor or outdoor environments, can bring benefits in several application
scenarios; for example, it can increase patients’ general well-being and reduce caregivers’
workload by allowing continuous monitoring.
This dissertation identifies and analyzes key performance aspects of using the ZigBee
and IEEE 802.15.4 protocols in WBAN applications. The main reason behind this work is
because these protocols were designed primarily for wireless sensor networks (WSNs) but are
also being used in WBAN applications, particularly in the healthcare area. The differences
between WSN and WBANs are explained and are used to discuss the usage of the ZigBee and
the IEEE 802.15.4 standards in WBANs.
The analysis performed in this work consists mainly in the execution of experimental
tests with non-beacon enabled ZigBee/IEEE 802.15.4 networks, using widespread hardware
and software platforms from Texas Instruments, regarding relevant quality of service (QoS)
metrics (maximum throughput, delivery ratio and network delay), as well as the effects of
multiple constraints, such as hidden nodes, clock drift and body interference in the network
performance.
A clock drift model was proposed to estimate when two nodes will interfere with each
other. This model was conceived due to the lack of support from the ZigBee to overcome this
issue. A solution to overcome the clock drift and the hidden node problems was then
designed. A parametric software delay model of ZigBee network devices was also defined
and introduced into a simulator so that more accurate simulation results could be obtained.
The proposed models were deemed valid since they were thoroughly tested and the predicted
results were obtained.As redes de sensores sem fios de área corporal (WBAN) têm o potencial de desempenhar
um papel importante no dia-a-dia. Hoje em dia há muitas indústrias, tais como na área da
saúde, do desporto e do entretenimento, que podem tirar proveito dessas redes. A
monitorização sem fios de sinais fisiológicos, tanto em ambientes fechados como ao ar livre,
pode trazer benefícios em vários cenários de aplicação, tais como, aumentar o bem-estar de
pacientes que são monitorizados e reduzir a carga de trabalho de médicos, permitindo a
monitorização contínua.
Esta dissertação identifica e analisa aspetos chave do desempenho das redes ZigBee e
IEEE 802.15.4, quando usadas em aplicações típicas das WBAN. A principal motivação para
a realização deste trabalho reside no facto de que, apesar de terem sido projetados
principalmente para redes de sensores sem fio (WSN), estes protocolos estão também a ser
utilizados em aplicações características das WBAN, particularmente na área da saúde. As
diferenças entre as WSN e as WBAN são destacadas e usadas para discutir o uso dos
protocolos ZigBee e IEEE 802.15.4 nas WBAN.
A análise realizada neste trabalho consiste, principalmente, na execução de testes
experimentais de redes ZigBee/IEEE 802.15.4 a funcionar no modo non-beacon enabled,
usando as plataformas de hardware e software da Texas Instruments. A análise leva em
consideração métricas relevantes (o máximo goodput, a taxa de entrega e o atraso da rede) de
qualidade de serviço (QoS) e os efeitos de várias condicionantes, como os nós escondidos, o
clock drift e a interferência do corpo humano no desempenho da rede.
Um modelo para o clock drift foi proposto para estimar quando dois dispositivos irão
interferir um com o outro devido a este fenómeno. Este modelo foi concebido devido à falta
de capacidade para o ZigBee superar este problema. Posteriormente foi concebida uma
solução para ultrapassar os problemas associados ao clock drift e aos nós escondidos. Um
modelo paramétrico de atrasos de software em dispositivos de redes ZigBee foi também
definido e introduzido num simulador, de modo a que resultados de simulações mais precisos
possam ser obtidos. Os modelos propostos foram considerados válidos dado que foram
testados e os resultados previstos foram obtidos
