Techniques avancées de traitement numérique pour la réduction d interférences dans les réseaux de capteurs corporels

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1 Techniques avancées de traitement numérique pour la réduction d interférences dans les réseaux de capteurs corporels Sujet de thèse proposé par : Stéphanie SAHUGUEDE, MC 61, ESTE/C2S2/XLIM-UMR 7252 Anne JULIEN-VERGONJANNE, PR 61, ESTE/C2S2/XLIM-UMR 7252 Introduction Les réseaux de capteurs corporels (Body Area Network ou BAN), envisagés pour les communications sans fils à courte portée autour du corps humain, sont aujourd hui dans une phase d émergence et plusieurs challenges technologiques sont à relever pour que cette technologie soit développée et déployée [1]. Les perspectives de marché sont nombreuses et concernent différents secteurs : santé, sport, loisir, bien-être. Dans ce type de réseaux, plusieurs capteurs et équipements électroniques, pouvant être implantés à l intérieur du corps, portés sur le corps ou placés dans le voisinage du corps, collectent des informations. Ils sont également susceptibles d échanger les données, de les stocker et de les transmettre à distance. Le contexte de la thèse est celui des applications liées à la télésurveillance médicale. Les contraintes technologiques majeures des BAN pour ces applications portent entre autres sur une transmission de grande fiabilité, à faible complexité et à très faible puissance, considérant des débits variables (de quelques kbps à 10 Mbps) et la mobilité des différents éléments constitutifs du réseau. La contrainte en puissance et la mobilité font que les réseaux BAN sont particulièrement sensibles aux interférences dont la réduction constitue un enjeu scientifique. Le sujet de thèse propose d étudier dans le contexte de la télésurveillance médicale, l application des techniques avancées de traitement numérique pour réduire l impact des interférences dans un réseau BAN, maintenir la qualité des liens de communication tout en préservant la consommation énergétique globale afin de prolonger la durée de vie du réseau. [1] M Patel, Jianfeng Wang Applications, challenges, and prospective in emerging body area networking technologies Wireless Communications IEEE (2010) Volume: 17, Issue: 1, Publisher: IEEE, Pages: Présentation équipe de recherche Le sujet de thèse correspond aux enjeux et problématiques traités dans le projet émergent «systèmes et réseaux pour la e-santé» (ESTE/C2S2/XLIM). Membres permanents du projet : S. SAHUGUEDE (MC61), A. JULIEN-VERGONJANNE (PR 61), JP. CANCES (PR61) Les axes de recherche de l équipe concernent :

2 - L étude des potentialités de la technologie optique sans fils en indoor pour la télésurveillance de données physiologiques : o Modélisation statistique du canal en tenant compte de l environnement (corps du patient, configuration de la chambre ) et de la mobilité o Codage de canal o Accès multiple (pour la surveillance de plusieurs patients) o Projet SAPHIRALE : Surveillance Avancée des Patients en milieu Hospitalier à l aide de l InfRArouge et des Lignes d Energie - Les réseaux de capteurs corporels : o Application au suivi de l activité physique adaptée (projet TICAADOM) : mise en œuvre d un réseau permettant l évaluation de la dépense énergétique quotidienne d un patient post-avc. o Etude de systèmes de suivi du niveau de déshydratation de personnes âgées. Des travaux significatifs réalisés jusqu à présent dans l équipe peuvent fournir un support aux travaux de thèse, notamment : - Les techniques de réduction d interférence multiutilisateurs envisagées dans la thèse pour les systèmes IR-UWB ont déjà fait l objet d études dans l équipe de recherche ESTE/C2S2 pour d autres canaux de communication [2]. - En ce qui concerne l étude d une stratégie hybride radio-optique : la technologie optique sans fils a fait l objet de résultats marquants [3-5] dans le thème e-santé de ESTE /C2S2]. De plus, l équipe participe à une action de coopération européenne dans le domaine de la recherche scientifique et technique (COST) démarrant en 2012 [6], qui se propose entre autre d explorer les potentialités de cette technologie émergente pour les réseaux BAN. C est donc une opportunité supplémentaire en termes de visibilité et de valorisation pour les résultats qui seront issus des travaux de la thèse. [2] Goursaud, C.; Julien-Vergonjanne, A.; Aupetit-Berthelemot, C.; Cances, J.-P.; Dumas, J.-M. "DS- OCDMA receivers based on parallel interference cancellation and hard limiters," Communications, IEEE Transactions on, vol.54, no.9, pp , Sept [3] S.S. Torkestani, S.Sahuguede, A. Julien-Vergonjanne and J.P. Cances Indoor Optical Wireless System dedicated to Healthcare application in a Hospital acceptée en 2011 pour publication à IET Communications, en attente d édition définitive en [4] S.S. Torkestani, N.Barbot, S.Sahuguede, A. Julien-Vergonjanne and J.P. Cances Transmission Power Analysis of Optical Wireless based Mobile Healthcare Systems, soumise en 2012 à International Journal of Wireless Information Networks, IJWIN special issue on Wireless healthcare technology, suite à la selection par le comité de programme de PIMRC 2011 [5] S.S. Torkestani, S. Sahuguede, A. Julien-Vergonjanne, J-P. Cances and J-C. Daviet*, *CHU Limoges- HAVAE Infrared Communication Technology Applied to Indoor Mobile Healthcare Monitoring System, sélectionné pour soumission à International Journal of E-Health and Medical Communications, IJEMHC special issue phealth 2011 [6]

3 Résumé : Le sujet de thèse porte sur l application des techniques avancées de traitement numérique pour réduire l impact des interférences dans un réseau de capteurs corporels (BAN) dédié au contexte de la télésurveillance médicale. On considère comme technologie de communication entre les éléments du réseau, la radio impulsionnelle ultra large bande (IR-UWB), qui est l une des technologies retenues dans les spécifications IEEE pour les futurs réseaux BAN. Basée sur l émission d impulsions très courtes, elle présente plusieurs avantages pour les communications sans fils près du corps humain notamment une faible complexité et une faible consommation. La contrainte en puissance et la mobilité rendent ces réseaux particulièrement sensibles aux interférences. Afin de réduire l'interférence entre les éléments ou nœuds du réseau ou entre différents réseaux, plusieurs techniques seront développées et évaluées. Les systèmes UWB se basant sur les mêmes concepts pour la transmission et la réception que ceux utilisés pour les systèmes à spectre étalé (CDMA), les performances des techniques de réduction d interférence multiutilisateurs bien connues en CDMA seront évaluées pour le contexte étudié. Les potentialités des techniques de transmissions coopératives en termes de réduction d interférence et de puissance seront également établies. Une originalité consistera à définir une stratégie hybride basée sur l utilisation conjointe de liens de communications radio et optiques sans fils. Résumé en anglais: The aim of the thesis is to study in the healthcare monitoring context, the application of advanced digital processing to reduce the impact of interference in a BAN network. Among the proposed operational frequency bands included in the IEEE BAN specifications, it will be considered the ultra-wideband impulse radio technology (UWB-IR). Based on the emission of very short pulses, UWB-IR has several advantages for communications on or near the human body including low complexity and low power consumption. Because strong power and mobility requirements, this technology is particularly susceptible to interference. To reduce interference between BAN nodes, multiple access and cooperation techniques will be implemented and performance will be analyzed in the healthcare monitoring context, considering constraints such as power. It will also address interference between other sensor networks for which more robust mechanisms have to be developed. In addition, we propose to investigate a new hybrid strategy which relies on the combined use of Radio Frequency (RF) and Wireless Optical Communication (WOC) links. Description complète Dans le contexte de la télésurveillance, la contrainte en puissance et la mobilité font que les réseaux BAN sont particulièrement sensibles aux interférences. Par exemple, la qualité de la liaison entre un nœud du réseau et le point de collecte peut être fortement dégradée par un autre nœud du même réseau devenu interférent suite à une variation de la topologie du réseau liée à la mobilité de la personne équipée. De plus, dans le cas où plusieurs personnes sont suivies (par exemple dans un établissement médicalisé), l interférence entre les différents BAN pourra constituer une limitation à

4 la fiabilité de la surveillance. D autre part, si on considère les bandes de fréquences proposées pour les réseaux BAN, il est également important de tenir compte des interférences liées aux réseaux de communications coexistant. Dans la thèse, on considèrera comme technologie radio de base la radio impulsionnelle ultra large bande (IR-UWB), qui est l une des technologies retenues dans les spécifications IEEE [7]. Basée sur l émission d impulsions très courtes, elle présente plusieurs avantages pour les communications sans fils près du corps humain notamment une faible complexité et une faible consommation. Dans une première partie, il s agira d étudier les principes de la technologie IR-UWB et de développer un outil de simulation des performances d une chaine de communication pour les réseaux BAN basée sur cette technologie. Les canaux de communications envisagés seront théoriques et issus des spécifications des normes en cours. Les résultats de cette étude devront illustrer l impact de l interférence sur les performances. Un autre volet de la thèse s attachera à établir l état de l art des techniques de réduction d interférence pour les réseaux BAN. Les systèmes utilisant l UWB se basent sur les mêmes concepts pour la transmission et la réception que ceux utilisés pour les systèmes à spectre étalé (CDMA). Une première approche pour réduire l impact des interférences consistera donc à développer des techniques de réduction d interférence bien connues pour les systèmes CDMA telles que l utilisation de récepteurs multi-utilisateurs à annulation parallèle ou série d interférence par exemple [8]. Par ailleurs, les techniques de transmissions coopératives entre les nœuds d un réseau BAN offrent des potentialités pour l amélioration des performances [9-10]. Il s agira donc de mettre en œuvre des mécanismes de transmission coopératifs adaptés au contexte et d évaluer l apport sur les performances en termes de fiabilité et de consommation énergétique. Une originalité pour limiter l interférence, pourra être d établir une stratégie hybride basée sur l utilisation conjointe de liens de communications RF et optiques sans fils. Une première approche consistera à étudier un schéma de communication utilisant de manière opportuniste des liens de communications en optique sans fils à la place de lien radio. Une autre approche aura pour objectif d établir un réseau de communication coopératif combinant les informations issues des liens RF et optique afin de minimiser les puissances consommées au niveau des nœuds ou des relais sous contrainte de mobilité. [7] B.Zhen et al. TG6 Technical Requirements Document», IEEE P ; [8] Wen-Bin Yang; Sayrafian-Pour, K. A DS-CDMA Interference Cancellation technique for body area networks, Personal Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2010 IEEE 21st International Symposium on, Sept. 2010, page(s): [9] P.Ferrand et al. Performance evaluation of direct and cooperative transmissions in body area networks, Annals of Telecommunications 66, 3 (2011) [10] Kazemi, R.; Vesilo, R.; Dutkiewicz, E.; Gengfa Fang; inter-network interference mitigation in Wireless Body Area Networks using power control games Communications and Information Technologies (ISCIT), 2010 International Symposium on,page(s): 81 86

5 Objectifs scientifiques En considérant comme technologie radio de base la radio impulsionnelle ultra large bande (IR-UWB), un premier objectif est la conception d une chaîne de communication pour réseaux BAN basée sur cette technologie et l évaluation des performances de transmission en mettant en évidence l impact des interférences. Sur la base de l état de l art autour de l analyse et de la gestion des interférences dans un réseau BAN, différentes approches pour réduire les interférences intra BAN et extra BAN seront retenues. Un autre objectif réside donc dans la proposition de solutions adaptées au contexte. Parmi les différentes techniques on se donne particulièrement comme objectifs : - de développer des techniques de réduction d interférence multiutilisateurs pour les réseaux BAN. - d appliquer des mécanismes de transmissions coopératives entre les nœuds du réseau et d évaluer l apport de ces techniques. - une solution nouvelle et originale pour limiter l interférence, sera d établir une stratégie hybride basée sur l utilisation conjointe de liens de communications RF et optiques sans fils. Compétences à l issue de la thèse Techniques de communication : Technologie radio impulsionnelle, Technologie optique sans fils Réseaux de capteurs corporels Traitement du signal : Techniques de suppression d interférences, Algorithmes de traitement multiutilisateurs, Algorithmes de transmissions coopératives Programmation en C : Simulation des performances d une chaîne de communication, implémentation d algorithmes de traitement du signal Spécificités liées au contexte de la télésurveillance médicale Mots clés Réseaux de capteurs corporels (BAN), Radio impulsionnelle ultra large bande (IR-UWB), Optiques sans fils (Wireless Optical), Interférence multi-utilisateurs ( multiuser interference), Communications coopératives ( cooperation), Télésurveillance (Health monitoring) Justification LABEX :

6 Le contexte de la thèse est celui des applications liées à la télésurveillance médicale. Il correspond aux enjeux et problématiques traités dans le projet émergent «systèmes et réseaux pour la e-santé» (ESTE/C2S2/XLIM). Dans ce contexte, les informations traitées par le réseau de capteurs sont de type physiologique, liées à la santé, à l activité ou à l environnement de la personne. De plus, le système doit être capable de déclencher des alertes et d effectuer un retour d information vers la personne équipée. En permettant le suivi des patients à distance, cette technologie peut donc améliorer la prise en charge en milieu médical ou l efficacité des soins à domicile. Elle constitue alors une solution pour le maintien à domicile de personnes souffrant de pathologies chroniques ou de personnes fragiles telles que les personnes âgées. Le sujet s inscrit dans un projet de recherche collaboratif impliquant l équipe HAVAE (Handicap, Autonomie, Vieillissement, Activité, Environnement - Université de Limoges) et plusieurs services du Centre Hospitalier Universitaire de Limoges (médecine physique & réadaptation et gériatrie), portant sur l adaptation de la technologie BAN à différents contextes : le suivi de l activité physique post-avc et le suivi des personnes âgées polypathologiques. La thèse proposée exploite donc des disciplines scientifiques (TIC) et techniques au service des personnes en besoin d aide à l autonomie tout en garantissant un niveau de sécurité et d assistance. Les études sont pluridisciplinaires (TIC + santé) et correspondent aux enjeux de la thématique «santé & autonomie» du labex SigmaLim.