WPANs - Redes Pessoais sem fio Uma simulação de sensoriamento remoto para aplicações médicas

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1 WPANs - Redes Pessoais sem fio Uma simulação de sensoriamento remoto para aplicações médicas Eliezio Lacerda da Costa 1, Cássio D. B. Pinheiro 1 1 Universidade Federal do Pará (UFPA) Campus Universitário de Santarém Colegiado do Curso de Sistemas de Informação Av. Marechal Rondon Santarém, PA Brasil (93) Resumo. As redes de sensores sem fio, RSSFs, já são uma realidade hoje em dia e representam uma ferramenta fundamental para monitorar sinais vitais de pacientes. Muitas aplicações médicas beneficiam-se de padrões baseados em tecnologias sem fio como o IEEE Este trabalho consiste em produzir, através de simulações com o Network Simulator, NS, os documentos essenciais a um estudo para uma aplicação médica que envolve redes de sensores sem fio. Para isso são realizadas simulações em dois diferentes cenários, utilizando métricas como vazão e taxa de entrega, com objetivo de definir a melhor configuração de uma rede de sensores médicos sem fio, que garanta a qualidade de serviço, QoS, especificada para esse problema. Abstract. Wireless sensor networks are reality nowadays and represent a key tool to monitor patient vital signs. Many medical applications benefit from standards based wireless technology such as the IEEE This work intends to produce, through simulations with the Network Simulator, the essential documents a study for a medical application that involves Wireless Sensor Networks. For that are accomplished simulations in two different sceneries, using metric as throughput and it rates of delivery, with objective to define the best configuration of medical wireless sensor network, that guarantees the of service quality, QoS, specified for that problem. Palavras-chave: Redes de sensores sem fio, IEEE , Aplicação médica, Qualidade de serviço.

2 1. Introdução Viabilizada pela evolução da microeletrônica, as redes sensores sem fio reúnem características como comunicação de baixo custo por ondas de rádio (baixa freqüência), grandes capacidades de processamento em dispositivos de tamanho reduzido e baixo consumo de energia. Uma rede de sensores sem fio é composta de um grande número de sensores posicionados dentro do fenômeno a ser observado ou próximo a ele [Pinto 2004] [Campos 2006]. De acordo com o texto acima surge a necessidade de escolha de uma tecnologia sem fio que atenda aos requisitos da aplicação a ser desenvolvida. Entretanto, estes métodos de transmissão possuem suas características e limitações, tornando de suma importância a escolha desta para a otimização da solução a ser empregada. Dentre os padrões de redes sem fio presentes no mercado destacam-se o ZigBee, Bluetooth, e Wi- Fi. Nas aplicações de monitoramento com sensores sem fio, destas tecnologias o Wi-Fi apresenta um consumo de energia maior. Fatores como consumo de energia, baixa latência e custo fazem do padrão ZigBee o mais adequado. O Bluetooth apesar de apresentar um baixo custo, alta latência e consumo ainda elevado, não o faz adequado a este tipo de aplicação [Santos 2007]. O objetivo deste trabalho é simular, através do Network Simulator, NS, duas diferentes topologias de rede e produzir os documentos essenciais a um estudo de viabilidade para uma aplicação médica que envolve redes de sensores sem fio, para o auxilio dos profissionais da área de saúde. Este trabalho é embasado em conceitos relacionados as tecnologias sem fio e seu uso em rede de sensores sem fio, mais especificamente o padrão IEEE [IEEE ], além de algumas noções básicas sobre rede de sensores sem fio aplicadas na assistência á pacientes [European Commission 2004] [Kim 2007]. O texto a seguir apresenta a construção dos cenários, resultados das simulações, comentários e a especificação de uma rede de sensores sem fio para aplicação médica. 2. Aplicação á Saúde A utilização de redes que usam as especificações do padrão Zigbee em vários sistemas para monitoramento da saúde de pacientes têm sido bem aceita. Este padrão provê comunicação entre dispositivos á curta distância, com baixo consumo de energia, e pequenas taxas de transferência de dados [Kim 2007]. O trabalho é baseado em aplicações médicas que não necessitam de uma elevada taxa de dados. Na simulação foi usada a taxa de dados obtida de sensores médicos reais, para uma dada aplicação, em diferentes cenários. O estudo se baseia em métricas como vazão e taxa de entrega de dados com o objetivo de validar a especificação de uma rede de sensores médicos que garanta qualidade de serviço, QoS [European Commission 2004]. 2.1 Rede de Sensores Médicos Uma rede de sensores médicos é formada por pequenos nós sensores de baixa potência, multifuncionais, que são equipados por sensores biomédicos e possuem uma unidade de processamento [Ruzzelli 2007].

3 Sensores biomédicos são usados para identificar mudanças biológicas e monitorar parâmetros biológicos em tecidos e órgãos. Estes dispositivos monitoraram parâmetros como a pressão sanguínea, temperatura, entre outros. Os nós sensores em uma rede de sensores médicos desempenham as tarefas de sensoriamento, processamento, envio, e/ou recepção de dados referentes á sinais fisiológicos de pacientes [European Commission 2004]. O uso de tecnologias sem fio em dispositivos biomédicos se tornam muito úteis para o atendimento de pacientes que são transportados de uma unidade a outra no hospital, assim como ajudam no período de recuperação dos mesmos [European Commission 2004]. A Figura 2.1 mostra um cenário de uma rede de sensores médicos e seus elementos: Legenda Coordenador da Rede Coordenador ou Gateway Nó Fonte Figura 2.1: Rede de sensores médicos 2.2 Trabalho A implementação de uma rede de sensores biomédicos sem fio para atuar em uma aplicação de monitoramento de pacientes pode requerer um certo desempenho em relação ás métricas: banda de rede, vazão, qualidade do sinal, tempo de resposta, latência, taxa de entrega de pacotes e variação do atraso entre pacotes [Ruzzelli 2007]. Os resultados são baseados nas especificações do padrão IEEE e no uso do protocolo de roteamento AODV (Ad hoc On demand Distance Vector), que permite aos nós transmitirem dados quando for necessário [Macedo 2006]. A Garantia de qualidade de serviço em uma rede de sensores médicos, usando taxa de envio de dados de sensores médicos como a de um eletrocardiograma existente no mercado atualmente é de grande importância para o desempenho da aplicação. A qualidade da comunicação representada pela taxa de entrega de pacotes é um ponto muito importante para o monitoramento de pacientes. O trabalho foi desenvolvido com base nos resultados das simulações de alguns cenários, com o objetivo de validá-los para a formação de uma rede de sensores. As simulações em cada cenário foram executadas com várias taxas de transferência de dados (Kbps ou pacotes/s) em relação a taxa de sensores médicos existentes atualmente como a dos eletrocardiogramas de 4 Kbps [European Commission 2004], com a finalidade de se encontrar valores para as métricas como vazão e taxas de entrega de pacotes próximos de 100%. Foi adotado o índice de 90% como valor mínimo na taxa de entrega.

4 Primeiro procurou-se testar o cenário ponto a ponto onde um nó sensor envia dados para o nó destino usando pacotes de 100 Bytes e diferentes taxas de envio (Kbps). Com base neste foi criado um segundo cenário com topologia estrela, com o objetivo de verificar a influência da variação do número de nós no desempenho destes cenários para a especificação da rede de sensores. 2.3 Construção dos Cenários O Primeiro cenário simulado foi o ponto a ponto com dois nós que se comunicam diretamente. Para a banda de freqüência de 2,4 GHz variou-se a taxa de envio de dados do nó fonte utilizando a vazão e taxa de entrega de pacotes como métricas. O cenário 1 permitiu a obtenção das taxas máximas, devido a inexistência de interferências, uma vez que continha apenas 2 nós. Os resultados deste cenário serão usados para a elaboração da primeira parte da rede de sensores sem fio para coleta de dados; onde o nó fonte deste cenário representaria o nó intermediário na rede final, que coletaria os pacotes vindos do segundo cenário descrito no parágrafo seguinte enviando os mesmos para o coordenador da rede representado pelo nó destino no cenário 1. A validação da última parte para especificação da rede de sensores sem fio é baseada nos resultados do cenário 2 que consiste de uma topologia estrela que depende inicialmente dos resultados do cenário 1. Este cenário diferente do cenário 1 usou a estrutura de um superframe para suas transmissões. Portanto o objetivo da simulação dos dois cenários, ponto a ponto e estrela, seria integração dos mesmos para a elaboração de uma rede de sensores médicos sem fio com mínimo de confiabilidade possível tendo por base seus resultados. 2.4 Ferramenta O estudo utilizou o simulador NS-2 [NS ] versão O módulo usado neste trabalho foi o desenvolvido no The City College of New York and Samsung Advanced Institute of Technology [Zheng e Lee 2006]. O tamanho do superframe adotado para a sincronização da comunicação entre os dispositivos assim com sua parte ativa, dependem dos parâmetros macbeaconorder (BO) e macsuperframeorder (SO) com valores baseados no trabalho de Jianliang Zheng e Myung Lee [Macedo 2006], ou seja BO=SO=3. Com isso temos que: BI (BeaconInterval) = SD (SuperframeDuration) = 960 * 2 3 = 7680 simbolos Todos os pontos dos gráficos referente aos resultados das simulações é a média de 10 amostras com intervalo de confiança de 95%. Todos os nós fonte utilizaram fluxos UDP de taxa constante (Constant Bit Rate - CBR). Todos os cenários usaram pacotes com tamanho de 100 Bytes, valor máximo permitido para o pacote de dados do IEEE , e o período de execução das simulações foi de 80 segundos. Nas simulações foi utilizado o modelo de propagação (Two Ray Ground). O parâmetro RXThresh tem como significado a sensibilidade mínima do sensor. O parâmetro Csthresh é conhecido como a sensibilidade mínima para a detecção da portadora. Nos experimentos, RXThresh e Csthresh foram configurados com o mesmo valor de -92

5 dbm, para todos os cenários. A potência de transmissão foi configurada com 0 dbm nos cenários adotados. 3. Simulação O objetivo destas simulações é produzir documentos necessários a um estudo que viabilize a especificação para uma aplicação médica que garanta qualidade de serviço. Com o uso das métricas vazão de dados e taxa de entrega do IEEE em alguns cenários adequados à aplicação de monitoramento de sinais fisiológicos vitais de pacientes. O cenário 1 é composto de apenas 2 nós, ou seja, um fonte e um destino. Este cenário não utilizou quadros de sincronismo ou beacon habilitado em suas transmissões. No cenário 2 foi utilizada a topologia em estrela com 4, 5, 6 e 7 nós; diferente do cenário anterior este utilizou quadros de sincronismo. Nos dois cenários o método de acesso ao meio foi CSMA-CA. Todos os cenários usam a banda de freqüência de 2,4 GHz com taxa nominal do meio em 250 Kbps para o IEEE Na simulação com o cenário 1 a taxa de dados do nó fonte no tráfego (CBR) da rede foi de 12, 16, 20, 24, 28 e 32 Kbps, escolhidas de forma estratégica para validar este nó como roteador para a comunicação com o usuário neste cenário e será utilizado também como coordenador da sub-rede estrela (cenário 2) para a especificação da rede de sensores médicos. No cenário 2 a taxa de envio de dados (CBR) foi de 5 pacotes/s. 3.1 Cenário 1 O objetivo da simulação neste cenário com 2 nós foi o de se verificar a taxa de entrega e a taxa de dados para o dado cenário que será utilizado na especificação da rede Resultados do Cenário 1 De acordo com os resultados da Figura 3.1 a vazão encontrada foi máxima para as taxas de envio de 12, 16, 20, 24, 28 e 32 Kbps; utilizou-se pacote de 100 Bytes que foi o valor máximo permitido para o pacote de dados do IEEE Com adoção deste tamanho de pacote obtem-se a vazão máxima em relação às taxas mencionadas em função de um overhead menor. Overhead este causado pelo tamanho fixo do cabeçalho de 27 Bytes e para o dado número de Bytes por quadro obtem-se um menor número de reconhecimentos (ACK). Tabela 3.1: Cenário 1 Simulação Taxa Nominal do Meio (Kbps) 250 Taxa de dados - CBR (Kbps) 12, 16, 20, 24, 28 e 32 Frequência 2,4 GHz Distância entre os nós 10 m Altura da Antena 12.5 cm Número de nós sensores 2 Saltos na comunicação 1 Número de nós fontes 1 Tempo de Simulação (s) 80 Potência de Transmissão (dbm) 0

6 Sensibilidade do receptor (dbm) -92 Quantidade de Bytes/pacote Vazão (Kbps) F=2.4GHZ Taxa de dados do nó fonte (Kbps) Figura 3.1: Vazão x Taxa de envio: 2 nós 2,4 GHz A Figura 3.1 mostra a vazão máxima do nó fonte para as taxas de envio de dados de 12, 16, 20, 24, 28 e 32 Kbps, todos os pacotes são entregues sem retransmissões. Taxa de entrega (% pacotes) F=2.4GHZ Taxa de dados (Kbps) Figura 3.2 Taxa de Entrega: 2 nós 2,4 GHz A Figura 3.2 representa a segunda métrica, taxa de entrega, que indica a porcentagem de pacotes transmitidos com sucesso do nó fonte para o destino. Segundo o gráfico as taxas simuladas tiveram representatividade de 100% na entrega de pacotes. 3.2 Cenário 2 Tomando por base o resultado das simulações do cenário 1, o passo seguinte foi criar um outro cenário em topologia estrela com os nós fontes enviando pacotes diretamente para o coordenador da sub-rede, o qual dependendo dos resultados desta simulação será também o nó roteador conectado diretamente ao coordenador da rede de sensores médicos. A cada 200 ms, cada nó sensor envia um pacote de dados.. Os nós fontes partem a transmissão de dados com intervalo de 1s entre eles, e a mantém durante 80 segundos.

7 De acordo com a Tabela 3.2 é descrito o cenário 2 onde os nós fontes estão distantes á 10 metros do nó coordenador e o alcance do rádio para todos os nós é de 20 metros; foram criados outros cenários variando o número de nós fontes. Tabela 3.2: Cenário 2 Cenários 3 (a) 3 (b) 3 (c) 3 (d) Taxa Nominal do Meio (Kbps) Taxa de dados - CBR (pacotes/s) Frequência 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz Distância entre os nós 10 m 10 m 10 m 10 m Altura da Antena 12.5 cm 12.5 cm 12.5 cm 12.5 cm Número de nós sensores Saltos na comunicação Número de nós fontes Tempo de Simulação (s) Potência de Transmissão (dbm) Sensibilidade do receptor (dbm) Quantidade de Bytes/pacote Resultados do Cenário 2 Nesta seção os cenários utilizam uma topologia em estrela que se diferenciam pela quantidade de nós e, todos com a mesma taxa de envio de dados de 5 pacotes/s. A Figura 3.3 mostra que nos cenários de 4 e 5 nós, para dada taxa de envio de pacotes os resultados para a taxa de entrega ficaram acima do valor mínimo adotado neste trabalho que é de 90%. Quanto maior o número de nós fonte, maior o número de pacotes na rede, ou seja, maior o congestionamento e pior desempenho da taxa de entrega. Taxa de entrega (% pacotes) F=2.4GHZ/5pcts / Nós fontes Figura 3.3 Taxa de Entrega x número de nós fontes 2,4 GHz Em relação ao cenário 1 o cenário 2, apresenta um menor desempenho em relação á entrega de pacotes devido á disputa entre os nós no acesso ao canal. 3.3 Comentários

8 As simulações do cenário 1 para diferentes taxas (12, 16, 20, 24, 28 e 32 Kbps) mostraram vazões reais máximas, ou seja, todos os pacotes enviados pelo nó fonte foram recebidos pelo nó destino sem retransmissões, o que é representado pela taxa de entrega de pacotes de 100% para todas as taxas. Esta seria a primeira parte da rede de sensores sem fio, que representaria o nó intermediário, que coletaria os pacotes vindos da topologia estrela e os enviaria para o coordenador da rede. A rede será formada por uma segunda topologia no formato estrela, nesta segunda parte para a especificação da rede de sensores são usados cenários na topologia mencionada que se diferenciam pela quantidade de nós fontes. Com 5 e 6 nós fontes a métrica taxa de entrega apresentou valores de 88 e 82% respectivamente. Para melhores resultados, as simulações com 3 e 4 nós fontes os valores foram em torno 93 e 91% respectivamente. De acordo com os resultados dos cenários simulados, poderemos montar a rede de sensores, com um computador central, equipado com um módulo que dará suporte ao padrão ZigBee baseado na definição do IEEE, que receberá através do coordenador da sub-rede estrela os dados transmitidos de 4 nós fontes ECG formadores desta sub-rede que estarão no corpo do paciente para a coleta dos dados como mostrado na Figura 3.4. Le g e nd a Coordenador da Rede Coordenador ou Gateway Nó Fonte Figura 3.4: Rede de sensores médicos - Sugestão De acordo com os resultados desses cenários, podemos montar uma rede de sensores médicos que garanta qualidade de serviço, com uso do padrão Para o alcance deste objetivo será definido alguns parâmetros: banda de frequência 2,4 GHz, pacotes com tamanho de 100 Bytes e utilizaremos 4 sensores como nós fontes. Para validação da especificação da rede de sensores médicos sugerida na Figura 3.4, seguiremos os seguintes passos: 1º Passo: De acordo com o cenário1 para a validação do nó roteador da rede final, para todas as taxas de envio adotadas o resultado da taxa de entrega foi de 100% como mostra a Figura 3.2. Para taxa de envio de dados de 16 Kbps a vazão observada para este cenário apresentou o mesmo valor de 16 Kbps para os pacotes de 100 Bytes adotado neste trabalho para as simulações como mostrado na Figura º Passo: Para a topologia da sub-rede estrela com quantidade de 4 nós sensores sugerida na Figura 3.4, o resultado para essa quantidade de nós referente a taxa de entrega de pacotes apresentou valor em torno de 91% para taxa de envio de 5 pacotes/s

9 como mostrado na Figura 3.3 referente ao cenário 2. Considerando esta taxa de envio de pacotes para cada nó teríamos uma taxa de envio de dados da sub-rede estrela em torno de 20 pacotes/s, são 4 Kbps/nó ou 16 Kbps/4nós. 3º Passo: De acordo com o 2 Passo acima o coordenador da sub-rede estrela receberia 16 Kbps vindos dos 4 nós sensores, agora teríamos que saber se este apresentaria bom desempenho para a taxa de 2x16 Kbps, ou 32 Kbps uma vez que teria que transferir dados na mesma taxa que receber. Para resolver esta questão é necessário consultar o gráfico referente a Figura 3.2 que mostra que para esta taxa de envio de dados o coordenador da sub-rede apresenta taxa de entrega de 100% para pacotes de 100 Bytes adotado nas simulações. Os resultados dos cenários acima combinados apresentam um bom desempenho para a sua utilização em uma aplicação de monitoramento de sinais fisiológicos de pacientes. 4. Conclusões Criar uma rede de dispositivos e sensores que conversem entre si ou com a base, de forma coordenada, faz do padrão ZigBee uma solução atualmente ideal para isso além de características como baixo consumo de energia, baixo custo, segurança, confiabilidade, e interoperabilidade. O trabalho é focado no estudo de uma aplicação médica que garanta a qualidade de serviço, através do uso das métricas como vazão de dados e taxa de entrega do padrão IEEE Foram simulados dois cenários, o primeiro ponto-a-ponto e de acordo com seus resultados foi criado o segundo cenário do tipo estrela; a integração destes foi utilizada para a especificação da rede de sensores médicos sem fio com o mínimo de confiabilidade possível com base em seus resultados. Para se estimar uma taxa de envio de dados para a determinada aplicação a taxa de entrega considerada deverá estar acima de 90%, para prover certa confiabilidade no desempenho. Este estudo pode servir de consulta para elaboração de trabalhos futuros. Por exemplo, os resultados podem ser usados para criar uma rede de sensores com características diferentes, ou seja além de eletrocardiogramas poderão ser usados outros sensores que coletem diferentes tipos de dados biomédicos. Este trabalho poderá ser complementado com estudos em relação ao monitoramento de sinais vitais de um número maior de pacientes e também poderá ser verificado o impacto do consumo de energia na rede, visto que o simulador ns-2 permite definir um modelo de energia. Referências ZIGBEE ALLIANCE. (2007). ZigBee-2007 Specification. zigbee. org. Março. IEEE (2003). Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN). Information Sciences Institute. (2005). Network Simulator ns-2. nsnam/ ns/. Março. Zheng, Jianliang; Lee, Myung J. (2006). A Comprehensive Performance Study of IEEE Página:http://ees2cy.engr.ccny.cuny.edu/zheng/papers/ paper1_ wpan_ performance.pdf. Março.

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