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https://hdl.handle.net/1822/35782
Título: | Wireless sensor networks for clinical applications in smart environments |
Outro(s) título(s): | Rede de sensores sem fios para aplicações clínicas em ambientes inteligentes de assistência à vida |
Autor(es): | Abreu, Carlos Jorge Enes Capitão de |
Orientador(es): | Mendes, P. M. Ricardo, Manuel Alberto Pereira |
Data: | 28-Nov-2014 |
Resumo(s): | Biomedical wireless sensor networks are a key technology to support the development of new
applications and services targeting the domain of healthcare, in particular, regarding data
collection for continuous health monitoring of patients or to help physicians on their diagnosis
and further treatment assessment. Therefore, due to the critical nature of both medical data and
medical applications, such networks have to satisfy demanding quality of service requirements.
Such goals are, nevertheless, negatively influenced by several factors. Those factors can be either
internal (e.g., the network topology and the limited network throughput) or external (e.g., the
characteristics and the use of the network deployment area) to the biomedical wireless sensor
network. Indeed, when designing biomedical wireless sensor network, it should be taken into
consideration numerous aspects of a very different nature.
Despite the efforts made in the last few years to develop quality of service mechanisms targeting
wireless sensor networks and its wide range of applications, the network deployment scenario
can severely restrict the networks ability to provide the required performance. In particular, harsh
environments, such as hospital facilities, can compromise the radio frequency communications
and, consequently, the network’s ability to provide the quality of service required by medical
applications. Furthermore, the impact of such environments on the network performance is hard
to predict and manage due to its random nature. Consequently, network planning and
management, in general or step-down hospital units, is a very hard task. In such context, this
thesis presents a quality of service based network management method to help engineers,
network administrators, and healthcare professionals managing and supervising biomedical
wireless sensor networks.
The proposed quality of service network management method comprises two modules, namely:
the quality of service monitoring module, and the quality of service based admission control
module. The quality of service monitoring module is in charge of continuously monitoring the
relevant metrics used to quantify the performance of each data flow carried by the network, and,
using a mathematical framework, detecting and classifying performance degradation events. By
detecting and classifying quality of service degradation events, the proposed method can be used
to prevent the incorrect operation of the network. Moreover, the information about each
performance degradation event can be used to advise the network administrator to take the
necessary corrective and preventive measures. On its turn, the quality of service based admission
control module can be used to find the best location to add new patients into the network, and thus allows managing the network in order to find the most favourable network topology to
maximise the quality of service provided by the biomedical wireless sensor network. Moreover,
the quality of service-based admission control module uses the concept of “virtual sensor node”
to mimic the presence of the new sensor nodes (i.e., the new patient) within the network, and by
this way makes it possible to assess the network from a remote location, without the need for the
physical presence of the new patient within the target location.
The quality of service network management method proposed by this thesis was tested using
both simulated and real environments. The field tests were performed in a small-sized hospital
located in Esposende, known as “Hospital Valentim Ribeiro”. In view of the results achieved
during the experiments, the quality of service monitoring module of the proposed method proves
to be a valuable tool for both detection and classification of potential harmful variations in the
quality of service provided by the network, avoiding its degradation to levels where the biomedical
signs would be useless. On its turn, the quality of service based admission control module
demonstrated its ability, not only to control the admission of new patients (i.e., new sensor
nodes) to the biomedical wireless sensor network, but also to find the best location to admit the
new patients within the network. By placing the new sensor nodes on the most favourable
locations, this module is able to optimise the network topology in view of maximising the quality
of service provided by the network. A utilização de redes de sensores sem fios como suporte ao desenvolvimento de novas aplicações e serviços para a área da saúde é uma realidade crescente, em particular, no que diz respeito ao desenvolvimento de aplicações para monitorização contínua dos sinais vitais dos pacientes, com vista à melhoria dos cuidados de saúde prestados. No entanto, devido às elevadas exigências de qualidade das aplicações e serviços na área da saúde, as redes de sensores sem fios têm que cumprir requisitos de qualidade de serviço muito exigentes. O fornecimento de um serviço de elevada qualidade é fundamental para que estas redes sejam adotadas quer pela comunidade de profissionais de saúde quer pelos pacientes. Apesar dos esforços realizados durante os últimos anos no desenvolvimento de técnicas e mecanismos capazes de conferir às redes de sensores sem fios a capacidade para fornecerem serviços de qualidade, esta capacidade é influenciada por vários fatores, entre os quais se destacam a topologia e a capacidade da rede, assim como as características e a utilização dos locais onde estas redes se encontram. Em particular, ambientes hostis, como é o caso dos hospitais, podem comprometer seriamente as comunicações via rádio e, consequentemente, a capacidade destas redes fornecerem um serviço com a qualidade pretendida pelas aplicações que a utilizam. Mais ainda, a influência de tais ambientes na performance destas redes é aleatória, logo, difícil de prever e de gerir. Neste contexto, esta tese contribui com uma metodologia de gestão de redes de sensores sem fios cujo móbil é a maximização da qualidade de serviço proporcionada pela rede. A metodologia de gestão de redes de sensores sem fios proposta nesta tese é constituída por dois módulos, o módulo de monitorização da qualidade de serviço e o módulo de controlo de admissão de novos nós sensores à rede (e.g., novos pacientes para serem monitorizados no contexto de um sistema de monitorização de sinais vitais). O módulo de monitorização da qualidade de serviço proporcionada pela rede de sensores sem fios é responsável por monitorizar, continuamente, as métricas utilizadas para quantificar a qualidade de serviço associada a cada um dos fluxos de dados transportados pela rede. Este módulo utiliza ferramentas matemáticas no domínio do tempo para detetar e classificar eventos potencialmente perigosos para a performance da rede. Com base na informação gerada para cada evento, o módulo de monitorização da qualidade de serviço proporcionada pela rede é capaz de enviar mensagens de aviso para o gestor da rede. Por sua vez, o gestor da rede pode tomar as medidas que considerar necessárias para mitigar os efeitos nefastos de tais eventos sobre a rede. Por sua vez, o módulo de controlo de admissão de novos nós sensores à rede pode ser utilizado para verificar se um determinado nó sensor (e.g., um novo paciente) pode ser adicionado à rede e em caso afirmativo permite determinar qual é o melhor local para o colocar. Para tal utiliza o conceito de “nó sensor virtual”. O “nó sensor virtual” é criado por um nó sensor real já existente na rede e tem capacidade para imitar o comportamento do novo nó. Para tal, o “nó sensor virtual” envia para a rede tráfego com características idênticas às do tráfego que será gerado pelo novo nó real. Ao utilizar o conceito de “nó sensor virtual”, este módulo permite avaliar a rede acerca da possibilidade de admitir um novo nó sensor a partir de uma localização remota, sem a necessidade da sua presença física no local onde será inserido na rede de sensores sem fios. O método de gestão de redes de sensores sem fios proposto nesta tese foi extensivamente testado. Nos testes utilizaram-se ambos, ambientes simulados e ambientes reais. Os ambientes simulados foram maioritariamente utilizados durante o processo de desenvolvimento e implementação da metodologia proposta. Por sua vez, os testes em ambiente real, realizados no Hospital Valentim Ribeiro em Esposende, foram realizados para validar o método proposto. Com base nos resultados obtidos durante os testes efetuados é possível argumentar que a metodologia proposta é capaz de detetar e classificar eventos com potencial para degradar a qualidade de serviço proporcionada pela rede de sensores sem fios. A deteção de tais eventos potencialmente perigosos é feita logo no seu início, evitando-se assim qua a performance da rede se degrada para níveis não admissíveis pelas aplicações que utilizam a rede. Quanto ao módulo de controlo de admissão de novos nós sensores à rede, foi possível demonstrar a sua viabilidade quer na decisão de admitir o novo nó sensor na rede quer na determinação do melhor local para o colocar. |
Tipo: | Tese de doutoramento |
Descrição: | Tese de doutoramento do Doctoral Program on Biomedical Engineering |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/35782 |
Acesso: | Acesso aberto |
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