A MAC protocol for quality of service provisioning in adaptive biomedical wireless sensor networks

Abstract

New healthcare solutions are being explored to improve the quality of care and the quality of life of patients, as well as the sustainability and efficiency of the healthcare services. In this context, wireless sensor networks (WSNs) constitute a key technology for closing the loop between patients and healthcare providers, as WSNs provide sensing ability, as well as mobility and portability, essential characteristics for wide acceptance of wireless healthcare technology. Despite the recent advances in the field, the wide adoption of healthcare WSNs is still conditioned by quality of service (QoS) issues, namely at the medium access control (MAC) level. MAC protocols currently available for WSNs are not able to provide the required QoS to healthcare applications in scenarios of medical emergency or intensive medical care. To cover this shortage, the present work introduces a MAC protocol with novel concepts to assure the required QoS regarding the data transmission robustness, packet delivery deadline, bandwidth efficiency, and energy preservation. The proposed MAC protocol provides a new and efficient dynamic reconfiguration mechanism, so that relevant operational parameters may be redefined dynamically in accordance with the patients’ clinical state. The protocol also provides a channel switching mechanism and the capacity of forwarding frames in two-tier network structures. To test the performance of the proposed MAC protocol and compare it with other MAC protocols, a simulation platform was implemented. In order to validate the simulation results, a physical testbed was implemented to replicate the tests and verify the results. Sensor nodes were specifically designed and assembled to implement this physical testbed. New healthcare solutions are being explored to improve the quality of care and the quality of life of patients, as well as the sustainability and efficiency of the healthcare services. In this context, wireless sensor networks (WSNs) constitute a key technology for closing the loop between patients and healthcare providers, as WSNs provide sensing ability, as well as mobility and portability, essential characteristics for wide acceptance of wireless healthcare technology. Despite the recent advances in the field, the wide adoption of healthcare WSNs is still conditioned by quality of service (QoS) issues, namely at the medium access control (MAC) level. MAC protocols currently available for WSNs are not able to provide the required QoS to healthcare applications in scenarios of medical emergency or intensive medical care. To cover this shortage, the present work introduces a MAC protocol with novel concepts to assure the required QoS regarding the data transmission robustness, packet delivery deadline, bandwidth efficiency, and energy preservation. The proposed MAC protocol provides a new and efficient dynamic reconfiguration mechanism, so that relevant operational parameters may be redefined dynamically in accordance with the patients’ clinical state. The protocol also provides a channel switching mechanism and the capacity of forwarding frames in two-tier network structures. To test the performance of the proposed MAC protocol and compare it with other MAC protocols, a simulation platform was implemented. In order to validate the simulation results, a physical testbed was implemented to replicate the tests and verify the results. Sensor nodes were specifically designed and assembled to implement this physical testbed. Preliminary tests using the simulation and physical platforms showed that simulation results diverge significantly from reality, if the performance of the WSN software components is not considered. Therefore, a parametric model was developed to reflect the impact of this aspect on a physical WSN. Simulation tests using the parametric model revealed that the results match satisfactorily those obtained in reality. After validating the simulation platform, comparative tests against IEEE 802.15.4, a prominent standard used in many wireless healthcare systems, showed that the proposed MAC protocol leads to a performance increase regarding diverse QoS metrics, such as packet loss and bandwidth efficiency, as well as scalability, adaptability, and power consumption. In this way, AR-MAC is a valuable contribution to the deployment of wireless e-health technology and related applications.

Novas soluções de cuidados de saúde estão a ser exploradas para melhorar a qualidade de tratamento e a qualidade de vida dos pacientes, assim como a sustentabilidade e eficiência dos serviços de cuidado de saúde. Neste contexto, as redes de sensores sem fios (wireless sensor networks - WSN) são uma tecnologia chave para fecharem o ciclo entre os pacientes e os prestadores de cuidados de saúde, uma vez que as WSNs proporcionam não só capacidade sensorial mas também mobilidade e portabilidade, caracteristicas essenciais para a aceitação à larga escala da tecnologia dos cuidados de saúde sem fios. Apesar dos avanços recentes na área, a aceitação genérica das WSNs de cuidados de saúde ainda está condicionada por aspectos relacionados com a qualidade de serviço (quality of service - QoS), nomeadamente ao nível do controlo de acesso ao meio (medium access control - MAC). Os protocolos MAC actualmente disponíveis para WSNs são incapazes de fornecer a QoS desejada pelas aplicações médicas em cenários de emergência ou cuidados médicos intensivos. Para suprimir esta carência, o presente trabalho apresenta um protocolo MAC com novos conceitos a fim de assegurar a QoS respeitante à robustez de transmissão de dados, ao limite temporal da entrega de pacotes, à utilização da largura de banda e à preservação da energia eléctrica. O protocolo MAC proposto dispõe de um novo e eficiente mecanismo de reconfiguração para que os parâmetros operacionais relevantes possam ser redefinidos dinamicamente de acordo com o estado de saúde do paciente. O protocolo também oferece um mecanismo autónomo de comutação de canal, bem como a capacidade de encaminhar pacotes em redes de duas camadas. Para testar o desempenho do protocolo MAC proposto e compará-lo com outros protocolos MAC foi implementada uma plataforma de simulação. A fim de validar os resultados da simulação foi também implementada uma plataforma física para permitir replicar os testes e verificar os resultados. Esta plataforma física inclui nós sensoriais concebidos e construídos de raiz para o efeito. Testes preliminares usando as plataformas de simulação e física mostraram que os resultados de simulação divergem significativamente da realidade, caso o desempenho dos componentes do software presentes nos componentes da WSN não seja considerado. Por conseguinte, desenvolveu-se um modelo paramétrico para reflectir o impacto deste aspecto numa WSN real. Testes de simulação efectuados com o modelo paramétrico apresentaram resultados muito satisfatórios quando comparados com os obtidos na realidade. Uma vez validada a plataforma de simulação, efectuaram-se testes comparativos com a norma IEEE 802.15.4, proeminentemente usada em projectos académicos de cuidados de saúde sem fios. Os resultados mostraram que o protocolo MAC conduz a um desempenho superior no tocante a diversas métricas QoS, tais como perdas de pacotes e utilização de largura de banda, bem como no respeitante à escalabilidade, adaptabilidade e consumo de energia eléctrica. Assim sendo, o protocolo MAC proposto representa um valioso contributo para a concretização efectiva dos cuidados de saúde sem fios e suas aplicações.