Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3975
Main Title: Towards reliable communication in low-power wireless body area networks
Author(s): Hauer, Jan-Hinrich
Advisor(s): Wolisz, Adam
Referee(s): Wolisz, Adam
Verdone, Roberto
Kraemer, Rolf
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Es wird zunehmend die Ansicht vertreten, dass tragbare Computer und Sensoren neue Anwendungen in den Bereichen Gesundheitswesen, personalisierte Fitness oder erweiterte Realität ermöglichen werden. Die am Körper getragenen Geräte sind dabei mithilfe eines Wireless Body Area Network (WBAN) verbunden, d.h. es wird drahtlose Kommunikation statt eines drahtgebundenen Kanals eingesetzt. Der drahtlose Kanal ist jedoch typischerweise ein eher instabiles Kommunikationsmedium und die Einsatzbedingungen von WBANs sind besonders schwierig: Einerseits wird die Kanalqualität stark von den physischen Bewegungen der Person beeinflusst, andererseits werden WBANs häufig in lizenzfreien Funkbändern eingesetzt und sind daher Störungen von anderen drahtlosen Geräten ausgesetzt. Oft benötigen WBAN Anwendungen aber eine zuverlässige Datenübertragung. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis dafür zu schaffen, wie sich die spezifischen Einsatzbedingungen von WBANs auf die intra-WBAN Kommunikation auswirken. So wird zum Beispiel analysiert, welchen Einfluss die Platzierung der Geräte auf der Oberfläche des menschlichen Körpers und die Mobilität des Benutzers haben. Es wird nachgewiesen, dass während regelmäßiger Aktivitäten wie Laufen die empfangene Signalstärke stark schwankt, gleichzeitig aber Signalstärke-Spitzen oft einem regulären Muster folgen. Außerdem wird gezeigt, dass in urbanen Umgebungen die Effekte von 2.4 GHz Radio Frequency (RF) Interferenz im Vergleich zu den Auswirkungen von fading (Schwankungen der empfangenen Signalstärke) eher gering sind. Allerdings führt RF Interferenz dazu, dass häufiger Bündelfehler auftreten, d.h. Fehler zeitlich korrelieren. Dies kann insbesondere in Anwendungen, die eine geringe Übertragungslatenz benötigen, problematisch sein. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Verfahren, die potentiell die Zuverlässigkeit der Kommunikation in WBANs erhöhen, ohne dass wesentlich mehr Energie verbraucht wird. Zunächst wird der Trade-off zwischen Übertragungslatenz und der Zuverlässigkeit der Kommunikation analysiert. Diese Analyse basiert auf einem neuen Paket-Scheduling Algorithmus, der einen Beschleunigungssensor nutzt, um die WBAN Kommunikation auf die physischen Bewegungen der Person abzustimmen. Die Analyse zeigt, dass unzuverlässige Kommunikationsverbindungen oft zuverlässig werden, wenn Pakete während vorhergesagter Signalstärke-Spitzen gesendet werden. Ferner wird analysiert, inwiefern die Robustheit gegen 2.4 GHz RF Interferenz verbessert werden kann. Dazu werden zwei Verfahren betrachtet: Ein bereits existierendes Verfahren, das periodisch einen Wechsel der Übertragungsfrequenz durchführt (channel hopping) und ein neues Verfahren, das durch RF Interferenz entstandene Bitfehler reparieren kann, indem der Inhalt mehrerer fehlerhafter Pakete kombiniert wird (packet combining). Eine Schlussfolgerung ist, dass Frequenzdiversität zwar das Auftreten von Bündelfehlern reduzieren kann, dass jedoch die statische Auswahl eines Kanals am oberen Ende des 2.4 GHz Bandes häufig schon eine akzeptable Abhilfe gegen RF Interferenz darstellt.
There is a growing belief that wearable computers and sensors will enable new applications in areas such as healthcare, personal fitness or augmented reality. The devices are attached to a person and connected through a Wireless Body Area Network (WBAN), which replaces the wires of traditional monitoring systems by wireless communication. This comes, however, at the cost of turning a reliable communication channel into an unreliable one. The wireless channel is typically a rather unstable medium for communication and the conditions under which WBANs have to operate are particularly harsh: not only is the channel strongly influenced by the movements of the person, but WBANs also often operate in unlicensed frequency bands and may therefore be exposed to a significant amount of interference from other wireless devices. Yet, many envisioned WBAN applications require reliable data transmission. The goals of this thesis are twofold: first, we aim at establishing a better understanding of how the specific WBAN operating conditions, such as node placement on the human body surface and user mobility, impact intra-WBAN communication. We show that during periodic activities like walking the received signal strength on an on-body communication link fluctuates strongly, but signal strength peaks often follow a regular pattern. Furthermore, we find that in comparison to the effects of fading 2.4 GHz Radio Frequency (RF) interference causes relatively little packet loss - however, urban 2.4 GHz RF noise is bursty (correlated in time), which may be problematic for applications with low latency bounds. The second goal of this thesis is to analyze how communication reliability in WBANs can be improved without sacrificing a significant amount of additional energy. To this end, we first explore the trade-off between communication latency and communication reliability. This analysis is based on a novel packet scheduling algorithm, which makes use of an accelerometer to couple WBAN communication with the movement patterns of the user. The analysis shows that unreliable links can often be made reliable if packets are transmitted at predicted signal strength peaks. In addition, we analyze to what extent two mechanisms can improve robustness against 2.4 GHz RF interference when adopted in a WBAN context: we analyze the benefits of channel hopping, and we examine how the packet retransmission process can be made more efficient by using a novel packet combining algorithm that allows to repair packets corrupted by RF interference. One of the conclusions is that while frequency agility may decrease "burstiness" of errors the static selection of a channel at the upper end of the 2.4 GHz band often already represents a good remedy against RF interference.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-48218
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4272
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3975
Exam Date: 30-Jan-2014
Issue Date: 15-Apr-2014
Date Available: 15-Apr-2014
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): Interferenz-Reduzierung
Paket-Scheduler
Body area networks
IEEE 802.15.4
Interference mitigation
MAC
Packet scheduling
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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