Cette thèse a pour but d'évaluer la performance théorique des approches coopératives pour la fiabilisation des transmissions dans les réseaux autour du corps humain. Ces réseaux sont formés d'un nombre limité de capteurs communicants disposés sur et dans le corps. Les techniques de coopération dans les réseaux de cette taille sont extrêmement dépendantes de l'information disponible quand à la qualité des canaux de communication au moment de la transmission. Sous une hypothèse de connaissance de la valeur moyenne à moyen et long terme de l'affaiblissement de ces canaux, nous dérivons une approximation du taux d'erreur paquet de bout en bout pour des techniques de relayage. Nous présentons également, pour certains de ces modèles, une allocation de puissance asymptotiquement optimale, fournissant un gain sur une large plage des puissances d'émission. En supposant ensuite que les noeuds ont une connaissance parfaite de l'état du réseau, nous étudions la capacité de Shannon sur des canaux à relais, et des canaux comprenant deux émetteurs coopérant entre eux. Pour ces deux modèles, nous montrons que lorsque l'on cherche à optimiser la répartition de puissance totale disponible à l'émission, l'étude se réduit à celle d'un modèle de canal équivalent simplifiant grandement l'analyse de la capacité et fournissant des solutions analytiques aux problèmes d'allocation de ressources. Nous présentons enfin une plate-forme de mesures pour les réseaux autour du corps humain, permettant de relever de manière quasi-simultanée l'intégralité des affaiblissements des liens entre les nœuds du réseau. Cette plateforme nous permet de traiter de la stabilité de ces liens et de la validité de l'hypothèse de réciprocité. Nous évaluons également la corrélation spatiale de l'affaiblissement des liens et nous montrons en particulier que celle-ci varie fortement au cours du mouvement, mais de façon suffisamment lente pour être estimée au fil de l'eau. / This thesis aimed at studying the theoretical performance bounds of cooperative techniques in Body Area Networks (BAN). These networks are sensor networks, with a small number of nodes located on and inside the human body. Cooperative techniques are extremely dependent on the channel side information available at the time of transmission. Considering statistical information about the channel fading and the short-term mean of the signal, we derive an asymptotic approximation of the packet error rate under the so-called block fading channel model. Using this approximation, we can express in closed-form asymptotically optimal power allocation among transmitting nodesfor various models of relay channels. Under a complete channel knowledge hypothesis, we then study the Shannon capacity of small-scale cooperative networks, namely relay channels and cooperative multiple access channels. We show that for these networks, when you aim at optimizing the global power allocation of the whole network, the problem is equivalent to a simpler problem on an equivalent channel model. Using this equivalence, we are able to derive a number of closed-form resource allocation for relay channels and cooperative multiple access channels. In the last part of the manuscript, we present a measurement platform for BAN where the quality of every link in the network is gathered in a quasi-simultaneous manner. This platform allows us to discuss results and assess hypotheses on the stability and reciprocity of BAN links. We also evaluate the variation of the spatial correlation of the links during a walking scenario, and show that although the correlation matrix may vary a lot during the movement, it does so sufficiently slowly to be estimated on-line by an adequate protocole, paving the way to more precise resource allocation techniques and relay selection protocols.

Les réseaux corporels (WBAN) se réfère aux réseaux de capteurs (WSN) "portables" utilisés pour collecter des données personnelles, telles que la fréquence cardiaque ou l'activité humaine. Cette thèse a pour objectif de proposer des algorithmes coopératifs (PHY/MAC) pour effectuer des applications de localisation, tels que la capture de mouvement et la navigation de groupe. Pour cela, nous exploitons les avantages du WBAN avec différentes topologies et différents types de liens: on-body à l'échelle du corps, body-to-body entre les utilisateurs et off-body par rapport à l'infrastructure. La transmission repose sur une radio impulsionnelle (IR-UWB), afin d'obtenir des mesures de distance précises, basées sur l’estimation du temps d'arrivée (TOA). Ainsi, on s’intéresse au problème du positionnement à travers de la conception de stratégies coopératives et en considérant la mobilité du corps et les variations canal. Notre première contribution consiste en la création d'une base de données obtenue avec de scénarios réalistes pour la modélisation de la mobilité et du canal. Ensuite, nous introduisons un simulateur capable d'exploiter nos mesures pour la conception de protocoles. Grâce à ces outils, nous étudions d’abord l'impact de la mobilité et des variations de canal sur l'estimation de la distance avec le protocole "three way-ranging" (3-WR). Ainsi, nous quantifions et comparons l'erreur avec des modèles statistiques. Dans un second temps, nous analysons différentes algorithmes de gestion de ressources pour réduire l'impact de la mobilité sur l'estimation de position. Ensuite, nous proposons une optimisation avec un filtre de Kalman étendu (EKF) pour réduire l'erreur. Enfin, nous proposons un algorithme coopératif basé sur l'analyse d’estimateurs de qualité de lien (LQEs) pour améliorer la fiabilité. Pour cela, nous évaluons le taux de succès de positionnement en utilisant trois modèles de canaux (empirique, simulé et expérimental) avec un algorithme (basé sur la théorie des jeux) pour le choix des ancres virtuelles. / Wireless Body Area Networks (WBAN) refers to the family of “wearable” wireless sensor networks (WSN) used to collect personal data, such as human activity, heart rate, sleep sequences or geographical position. This thesis aims at proposing cooperative algorithms and cross-layer mechanisms with WBAN to perform large-scale individual motion capture and coordinated group navigation applications. For this purpose, we exploit the advantages of jointly cooperative and heterogeneous WBAN under full/half-mesh topologies for localization purposes, from on-body links at the body scale, body-to-body links between mobile users of a group and off-body links with respect to the environment and the infrastructure. The wireless transmission relies on an impulse radio Ultra-Wideband (IR-UWB) radio (based on the IEEE 802.15.6 standard), in order to obtain accurate peer-to-peer ranging measurements based on Time of Arrival (ToA) estimates. Thus, we address the problem of positioning and ranging estimation through the design of cross-layer strategies by considering realistic body mobility and channel variations. Our first contribution consists in the creation of an unprecedented WBAN measurement database obtained with real experimental scenarios for mobility and channel modelling. Then, we introduce a discrete-event (WSNet) and deterministic (PyLayers) co-simulator tool able to exploit our measurement database to help us on the design and validation of cooperative algorithms. Using these tools, we investigate the impact of nodes mobility and channel variations on the ranging estimation. In particular, we study the “three-way ranging” (3-WR) protocol and we observed that the delays of 3-WR packets have an impact on the distances estimated in function of the speed of nodes. Then, we quantify and compare the error with statistical models and we show that the error generated by the channel is bigger than the mobility error. In a second time, we extend our study for the position estimation. Thus, we analyze different strategies at MAC layer through scheduling and slot allocation algorithms to reduce the impact of mobility. Then, we propose to optimize our positioning algorithm with an extended Kalman filter (EKF), by using our scheduling strategies and the statistical models of mobility and channel errors. Finally, we propose a distributed-cooperative algorithm based on the analysis of long-term and short-term link quality estimators (LQEs) to improve the reliability of positioning. To do so, we evaluate the positioning success rate under three different channel models (empirical, simulated and experimental) along with a conditional algorithm (based on game theory) for virtual anchor choice. We show that our algorithm improve the number of positions estimated for the nodes with the worst localization performance.

[ES] La población mundial en países desarrollados está envejeciendo y con ello existe un aumento de enfermedades en gran medida causadas por la edad. Las nuevas tecnologías médicas pueden ayudar a detectar, diagnosticar y tratar estas enfermedades y con ello ahorrar dinero, tiempo y recursos de los sistemas sanitarios. Las tecnologías inalámbricas implantables han abierto un nuevo panorama para la próxima generación de tecnologías médicas. Frecuencias como la Ultra Wide-Band (UWB) de 3.1 a 10.6 GHz están siendo consideradas para la nueva generación de dispositivos inalámbricos para dentro del cuerpo humano. Las características como el reducido tamaño de las antenas, la baja potencia de transmisión y la alta velocidad de datos son las más buscadas en este tipo de dispositivos. El problema surge porque el cuerpo humano depende de la frecuencia de modo que a mayores frecuencias, mayores son las pérdidas por propagación. Conociendo el canal de transmisión se puede solventar el problema de las altas pérdidas. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar el canal de radio frecuencia (RF) para la nueva generación de dispositivos médicos implantables. Para caracterizar el canal se han empleado tres diferentes metodologías: simulaciones numéricas, medidas en phantom y experimentos en animales vivos. Las medidas en phantom fueron realizadas en un nuevo sistema de medidas expresamente disen¿ados para medidas de dentro a fuera del cuerpo humano en la banda de frecuencias UWB. Además, se utilizó un novedoso recipiente con dos capas de phantom imitando la zona gastrointestinal del cuerpo. Estos phantoms fueron creados para este tipo de medidas y son extremadamente precisos a las frecuencias UWB. Para los experimentos en animales se utilizaron cerdos y se intentó reproducir en ellos las medidas previamente realizadas en phantom. Las simulaciones software se realizaron con la intención de replicar ambas metodologías. Una vez realizados los experimentos se realizó un extensivo estudio del canal en dominio frecuencial y temporal. Mas en detalle, se compararon las antenas usadas en la recepción y transmisión, el efecto de la grasa en el canal, la formas del recipiente contenedor de phantom y las componentesmulticamino. Como resultado se ha propuesto un modelo de propagación del canal para la banda baja de las frecuencias UWB (3.1 -5.1 GHz) para la zona gastrointestinal del cuerpo humano. Este modelo de propagación ha sido validado utilizando las tres metodologías previamente descritas y comparada con otros estudios existentes en literatura. Finalmente, se midió el canal de propagación para una determinada aplicación a bajas frecuencias con señales UWB. También se realizaron medidas del canal de propagación en la zona cardíaca del cuerpo humano desde un punto de vista de seguridad de datos. Los resultados obtenidos en esta tesis confirman los beneficios que tendría la utilización de frecuencias UWB para las futuras generaciones de dispositivos médicos implantables. / [CA] La població mundial a països desenvolupats està envellint-se i enfrontant-se a un augment d'infermetats principalment causades per la edat. Les noves tecnologies mèdiques poden ajudar a detectar, diagnosticar i tractar aquestes malalties, estalviant diners, temps i recursos sanitaris. Els dispositius implantables sense fils han generat un nou panorama per a les noves generacions de dispositius mèdics. Les freqüències com la banda de UWB estan sent considerades per a les futures tecnologies implantables. La reduïda grandària de les antenes, la baixa potència de transmissió i les altes velocitats de dades son característiques buscades per als dispositius implantables. Per contra, els éssers humans depenen de la freqüència en el sentit que a majors freqüències, majors les pèrdues per propagació quan el senyal travessa el cos humà d'interior a exterior. Per solventar aquestes pèrdues el canal de propagació s'ha d'entendre i conèixer de la millor manera possible. Aquesta tesi doctoral te com a objectiu caracteritzar el canal de radio freqüència (RF) per a la nova generació de dispositius mèdics implantables. S'han emprat tres metodologies diferents per a realitzar aquesta caracterització: simulacions software, mesures amb fantomes i experiments amb animals vius. Els experiments amb fantomes es van realitzar a un sistema de mesures dissenyat expressament per a les transmissions de dins a fora del cos humà a les freqüències UWB. També es van utilitzar un contenidor per als fantomes de dues capes, imitant l'area gastrointestinal dels humans. Per als experiments a animals es van emprar porcs, replicant els experiments al laboratori en fantomes de la forma més semblant possible. Les simulacions software foren dissenyades per a imitar les experiments amb fantomes i animals. Després dels experiments el canal de propagació es va investigar exhaustivament des del domini freqüèncial i temporal. S'ha observat com les antenes en transmissió i recepció afecten al senyal, la influència de la grassa, la forma del contenidor de fantoma i les possibles contribucions multicamí. Finalment es proposa un nou model de propagació per a les baixes freqüències UWB (3.1 a 5.1 GHz) per a la zona GI del cos humà. El model es va validar utilitzant les tres metodologies abans esmentades i també foren comparades amb model ja existents a la literature. Finalment des d'un punt de vista aplicat, el canal es va avaluar per al senyal UWB a baixes freqüències (60 MHz). A més a més, per a la nova generació de marcapassos sense fil es va investigar el canal des d'un punt de vista de seguretat de dades. Els resultats obtinguts a aquesta tesi confirmen els avantatges d'emprar la banda de freqüències UWB per a la nova generació de dispositius médics implantables. / [EN] The current global population in developed countries is becoming older and facing an increase in diseases mainly caused by age. New medical technologies can help to detect, diagnose and treat illness, saving money, time, and resources of physicians. Wireless in-body devices opened a new scenario for the next generation of medical devices. Frequencies like the Ultra Wide-band (UWB) frequency band (3.1 - 10.6 GHz) are being considered for the next generation of in-body wireless devices. The small size of the antennas, the low power transmission, and the higher data rate are desirable characteristics for in-body devices. However, the human body is frequency ependent, which means higher losses of the radio frequency (RF) signal from in- to out-side the body as the frequency increases. To overcome this, the propagation channel has to be understood and known as much possible to process the signal accordingly. This dissertation aims to characterize the (RF) channel for the future of in-body medical devices. Three different methodologies have been used to characterize the channel: numerical simulations, phantom measurements, and living animals experiments. The phantom measurements were performed in a novel testbed designed for the purpose of in-body measurements at the UWB frequency band. Moreover, multi-layer high accurate phantoms mimicking the gastrointesintal (GI) area were employed. The animal experiments were conducted in living pigs, replicating in the fairest way as possible the phantom measurement campaigns. Lastly, the software simulations were designed to replicate the experimental measurements. An in-depth and detail analysis of the channel was performed in both, frequency and time domain. Concretely, the performance of the receiving and transmitting antennas, the effect of the fat, the shape of the phantom container, and the multipath components were evaluated. Finally, a novel path loss model was obtained for the low UWB frequency band (3.1 - 5.1 GHz) at GI scenarios. The model was validated using the three methodologies and compared with previous models in literature. Finally, from a practical case point of view, the channel was also evaluated for UWB signals at lower frequencies (60 MHz) for the GI area. In addition, for the next generation of leadless pacemakers the security link between the heart and an external device was also evaluated. The results obtained in this dissertation reaffirm the benefits of using the UWB frequency band for the next generation of wireless in-body medical devices. / Pérez Simbor, S. (2019). In-body to On-body Experimental UWB Channel Characterization for the Human Gastrointestinal Area [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133034 / TESIS

Hospital environments are ranked as one of the most stressful contemporary work environments for their employees, and this especially concerns nurses (Nejati et al. 2016). One of the core problems comprises the notion that the current technology adopted in hospitals does not support the mobile nature of medical work and the complex work environment, in which people and information are distributed (Bardram 2003). The employment of inadequate technology and the strenuous access to information results in a decrease in efficiency regarding the fulfilment of medical tasks, and puts a strain on the attention of the medical personnel. This thesis proposes a solution to the aforementioned problems through the design of ambient displays, that inform the medical personnel with the health statuses of patients whilst requiring minimal allocation of attention. The ambient displays concede a hierarchy of information, where the most essential information encompasses an overview of patients’ vital signs. Data regarding the vital signs are measured by biometric sensors and are embodied by shape-changing interfaces, of which the ambient displays consist. User-authentication permits the medical personnel to access a deeper layer within the hierarchy of information, entailing clinical data such as patient EMRs, after gesture-based interaction with the ambient display. The additional clinical information is retrieved on the user’s PDA, and can subsequently be viewed in more detail, or modified at any place within the hospital.In this thesis, prototypes of shape-changing interfaces were designed and evaluated in a hospital environment. The evaluation was focused on the interaction design and user-experience of the shape-changing interface, the capabilities of the ambient displays to inform users through peripheral awareness, as well as the remote communication between patient and healthcare professional through biometric data. The evaluations indicated that the required attention allocated for the acquisition of information from the shape-changing interface was minimal. The interaction with the ambient display, as well as with the PDA when accessing additional clinical data, was deemed intuitive, yet comprised a short learning curve. Furthermore, the evaluations in situ pointed out that for optimised communication through the ambient displays, an overview of the health statuses of approximately eight patients should be displayed, and placed in the corridors of the hospital ward.