The presented work considers a CDMA-based Wireless Body Area Network (WBAN) where multiple biosensors communicate simultaneously to a central node in an asynchronous fashion. The asynchronous nature of the WBAN introduces Multiple Access Interference (MAI). To combat this problem, presented is a methodology that uses a set of cyclically orthogonal spreading codes extracted from the Walsh-Hadamard matrix. When using the Cyclic Orthogonal Walsh-Hadamard Codes (COWHC) as spreading codes in the CDMA-based WBAN, the cyclic orthogonality property helps mitigate MAI amongst the on-body sensors. Presented is an ideal communication system that is most effective at mitigating MAI in proactive WBANs. The work illustrates the system optimality and effectiveness at mitigating MAI by studying the sensitivity to packet-loss through simulating the link Bit Error Rate (BER) performance. It is shown that the proposed design with COWHC, a Rayleigh flat-fading channel, BPSK modulation and a conventional receiver produce optimum MAI mitigation.

Short range wireless data communication networks that are used for sport and health care are sometimes called Wireless Body Area Networks (WBANs) and they are located more or less on a person. Sole Integrated Gait Sensor (SIGS) is a research project in WBAN, where wireless pressure sensors are placed like soles in the shoes of persons with different kinds of deceases. The sensors can measure the pressure of the foot relative to the shoe i.e. the load of the two legs is measured. This information can be useful e.g. to not over or under load a leg after joint replacement or as a bio feedback system to help e.g. post stroke patients to avoid falling. The SIGS uses the ANT Protocol and radio specification. ANT uses the 2.4 GHz ISM band and TDMA is used to share a single frequency. The scheduling of time slots is adaptive isochronous co-existence i.e. the scheduling is not static and each transmitter sends periodically but checks for interference with other traffic on the radio channel. In this unidirectional system sole sensors are masters (transmitters) and the WBAN server is the slave in ANT sense. The message rate is chosen as 8 Hz which is suitable for low power consumption. Hence in the SIGS system, it is necessary to synchronize the left and the right foot sensors because of low message rate. In our thesis, we found a method and developed a prototype to receive the time synchronized data in WBAN server from ANT wireless sensor nodes in SIGS system. For this thesis work, a hardware prototype design was developed. The USB and USART communication protocols were also implemented in the hardware prototype. The suitable method for time synchronization was implemented on the hardware prototype. The implemented method receives the sensor data, checks for the correct stream of data; add timestamp to the sensor data and transmit the data to the Linux WBAN server. The time slots allocation in the ANT protocol was found. Alternative solution for the time synchronization in ANT protocol was also provided. The whole SIGS system was tested for its full functionality. The experiments and analysis which we performed were successful and the results obtained provided good time synchronization protocol for ANT low power wireless sensor network and for Wireless Bio-feedback system.

Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς των WBAN (Wireless Body Area Networks) σαν μέρος του συστήματος παρακολούθησης υγείας ασύρματης τηλεϊατρικής. Αρχικά γίνεται σύντομη αναφορά στον τρόπο χρήσης των WBAN για την πραγματοποίηση της ιδέας της mHealth (mobile health) καθώς και σε ενδεικτικά ερευνητικά προγράμματα της Ευρωπαϊκής Ένωσης που περιλαμβάνουν χρήση της τεχνολογίας WBAN και της τεχνολογίας ασύρματων εμφυτεύσιμων αισθητήρων για εφαρμογές ιατρικής περίθαλψης, ενώ στη συνέχεια γίνεται περιγραφή της αρχιτεκτονικής του συστήματος ασύρματης τηλεϊατρικής. Έπειτα, περιγράφεται η αρχιτεκτονική των δύο βασικότερων πρωτοκόλλων επικοινωνίας για ασύρματους κόμβους αισθητήρων, Bluetooth Low Energy και ZigBee/IEEE 801.15.4 και αναλύεται το επίπεδο εφαρμογής του πρωτοκόλλου ZigBee. Τέλος, περιγράφεται η αρχιτεκτονική του ασύρματου κόμβου αισθητήρων και παρουσιάζονται και περιγράφονται οι τυπικές συσκευές που χρησιμοποιούνται σε ένα WBAN ιατρικής περίθαλψης. / The purpose of my diploma thesis was the study of WBAN (Wireless Body Area Networks) as part of the wireless telemedicine health-monitoring system. I focused on the architecture of the integrated telemedicine system, the architecture of the two main communication protocols used in WBANs, Bluetooth LE and ZigBee/IEEE 801.15.4, and the specification of the ZigBee Application Layer. Finally, I described the typical architecture of the wireless sensor node and the typical devices that are used in a health WBAN.

Ce manuscrit contient d'abord l'étude d'une extension du modèle des protocoles de populations, qui représentent des réseaux de capteurs asynchrones, passivement mobiles, limités en ressources et anonymes. Pour la première fois (à notre connaissance), un modèle formel de consommation d'énergie est proposé pour les protocoles de populations. A titre d'application, nous étudions à la complexité en énergie (dans le pire des cas et en moyenne) pour le problème de collecte de données. Deux protocoles prenant en compte la consommation d'énergie sont proposés. Le premier est déterministe et le second randomisé. Pour déterminer les valeurs optimales des paramètres, nous faisons appel aux techniques d'optimisation. Nous appliquons aussi ces techniques dans un cadre différent, celui des réseaux de capteurs corporels (WBAN). Une formulation de flux est proposée pour acheminer de manière optimale les paquets de données en minimisant la pire consommation d'énergie. Une procédure de recherche à voisinage variable est développée et les résultats numériques montrent son efficacité. Enfin, nous considérons le problème d'optimisation avec des paramètres aléatoires. Précisément, nous étudions un modèle semi-défini positif sous contrainte en probabilité. Un nouvel algorithme basé sur la simulation est proposé et testé sur un problème réel de théorie du contrôle. Nous montrons que notre méthode permet de trouver une solution moins conservatrice que d'autres approches en un temps de calcul raisonnable. / In this thesis, we propose a formal energy model which allows an analytical study of energy consumption, for the first time in the context of population protocols. Population protocols model one special kind of sensor networks where anonymous and uniformly bounded memory sensors move unpredictably and communicate in pairs. To illustrate the power and the usefulness of the proposed energy model, we present formal analyses on time and energy, for the worst and the average cases, for accomplishing the fundamental task of data collection. Two power-aware population protocols, (deterministic) EB-TTFM and (randomized) lazy-TTF, are proposed and studied for two different fairness conditions, respectively. Moreover, to obtain the best parameters in lazy-TTF, we adopt optimization techniques and evaluate the resulting performance by experiments. Then, we continue the study on optimization for the power-aware data collection problem in wireless body area networks. A minmax multi-commodity netflow formulation is proposed to optimally route data packets by minimizing the worst power consumption. Then, a variable neighborhood search approach is developed and the numerical results show its efficiency. At last, a stochastic optimization model, namely the chance constrained semidefinite programs, is considered for the realistic decision making problems with random parameters. A novel simulation-based algorithm is proposed with experiments on a real control theory problem. We show that our method allows a less conservative solution, than other approaches, within reasonable time.

Depuis plusieurs années, bénéficiant de nombreuses évolutions technologiques, le domaine de l'instrumentation sans fil a conquis de nouveaux champs d'application, comme le suivi de paramètres physiologiques des personnes, par le développement des réseaux de capteurs sans fil autour du corps humain (BAN, pour Body Area Networks). Majoritairement orienté vers le domaine médical et l'amélioration des conditions de vie des patients, ce type de plate-forme s'est plus récemment étendu à d'autres activités, notamment aux loisirs et au sport. Selon le contexte applicatif, les hypothèses et les contraintes liées à ces réseaux peuvent être très variées, c'est pourquoi le développement de mécanismes de communication adaptés est nécessaire. Au cours de mes travaux de thèse, je me suis intéressé à la réalisation de plate-formes de collecte de données pour des applications sportives en situation de mobilité. Dans une première partie est abordée la collecte d'informations individuelles, pour laquelle nous présentons une preuve de concept en contexte sportif, avant d'apporter des éléments complémentaires à la modélisation des canaux des BAN et aux stratégies de communication pour la collecte individuelle. Ensuite, nous abordons la réflexion sur la collecte d'informations dans les réseaux denses et mobiles, en proposant des algorithmes distribués basés sur le consensus permettant d'identifier des groupes de façon dynamique, à petite et large échelle. Des réalisations pratiques à chaque étape de mes travaux de thèse permettent la validation des plate-formes développées, grâce à un ensemble conséquent de données collectées sur le terrain. L'analyse des données fournit également des éléments pour mieux caractériser les communications, notamment à large échelle, ce qui ouvre de nombreuses pistes quant à de futurs travaux. De plus, si un fort contexte applicatif est présent dans ces travaux, les méthodes d'analyse et les algorithmes développés sont valorisables et extensibles à d'autres domaines. / The technological evolutions which have taken place for the last decades allowed the emergence of new application fields, such as the wireless monitoring of physiological parameters collected on the human body, with the development of Wireless Body Area Networks (WBANs, or BANs). Mostly dedicated to the medical domain and the improvement of the patients' comfort and safety, this kind of platforms more recently extended to other kinds of activities, such as sports and leisures. According to the applicative context, the hypotheses and constraints associated to these networks can vary drastically, yielding the necessity of developing adapted communication mechanisms. The works presented in this thesis have focused on the realization of data collection platforms for mobile sports applications. In a first part, we concentrate on the individual data collection, for which we give a proof of concept in the context of a Marathon race, before aiming at a better understanding of individual channel models and cooperative mechanisms for on-body data centralization. In a second part, we are interested in dense and mobile networks consisting in an important number of coexisting BANs. Our aim is to propose distributed algorithms based on consensus to allow dynamic group detection, with a variable scale. The validation of the approaches developed in this document is performed by practical implementations and experiments at each step of this work, thanks to an important amount of real world collected data. Through extended analyzes, we provide elements allowing to characterize the communication within mobile BANs, and particularly large scale networks. Although guided by the strong applicative context of live TV broadcast, these works and analysis methods don't lose in generality, and this challenging and original context opens a lot of perspectives.

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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