научная статья по теме СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ НАТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ НАТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 58, № 12, с. 1160-1170

К 60-ЛЕТИЮ ИРЭ ИМ. В.А. КОТЕЛЬНИКОВА РАН

УДК 519.6,621.396

СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЕ БЕСПРОВОДНЫЕ НАТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ

© 2013 г. А. С. Дмитриев1, В. А. Лазарев2, М. И. Герасимов2, А. И. Рыжов1

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр. 7 2Московский физико-технический институт (государственный университет) Российская Федерация, 141700, Долгопрудный, Институтский пер., 7 E-mail: dilvishya@pisem.net Поступила в редакцию 09.06.2013 г.

Описаны принципы работы беспроводных нательных сетей (БНС) и требования к их инфраструктуре. Рассмотрен новый стандарт IEEE 802.15.6 для БНС, в котором в качестве носителя информации используются сверхширокополосные сигналы. Проанализированы общие черты и отличия этого стандарта от существующих стандартов беспроводной персональной связи. Показаны перспективы использования сверхширокополосных прямохаотических приемопередатчиков в беспроводных сенсорных сетях нового стандарта.

DOI: 10.7868/S0033849413110028

ВВЕДЕНИЕ

Проблема здравоохранения является одной из самых серьезных в XXI веке. В развитых и ряде развивающихся стран возникает проблема старения населения в связи с увеличением продолжительности жизни и снижения рождаемости. Большинству же стран, включая Российскую Федерацию, необходимо радикальное повышение качества медицинского обслуживания. При этом расходы на медицину, как правило, уже составляют значительную часть валового внутреннего продукта и исчисляются астрономическими суммами. Так, в 2007 году расходы на здравоохранение составили в США более 2.0 трл. долл., в Германии более 350 млрд долл., в Российской Федерации более 120 млрд долл. [1].

Современная модель здравоохранения базируется на обслуживании населения через сети поликлиник и больниц (клиник, госпиталей). Такая модель сегодня уже не отвечает современным требованиям.

Одно из важных направлений в изменении подхода к обеспечению здоровья — мониторинг человеком собственной физиологии, физической активности и болезней. Быстрое развитие электроники, средств персональной связи, вычислительной техники, пассивных детекторов физиологического состояния, а также активных средств самолечения способствует развитию этого подхода в здравоохранении от медицинского обслуживания, сконцентрированного в госпиталях и кли-

никах, к мониторингу состояния здоровья, осуществляемого самим пациентом.

Беспроводные сети сенсоров, расположенных внутри, на или около тела человека и осуществляющих контроль за его состоянием, имеют большой потенциал для революционного преобразования будущих оздоровительных технологий. Беспроводные нательные сети (БНС) поддерживают обширную область приложений медицинской и потребительской электроники. Например, БНС позволяют проводить удаленный мониторинг состояния здоровья пациентов в течение длительного времени без ограничений их нормальной активности.

Работы в области создания БНС проводят с 60-х годов прошлого столетия. Однако их внедрение в медицинскую практику стало возможным только в начале 2000-х годов с появлением и массовым распространением средств персональной беспроводной связи.

Применение БНС, включая разрешенные для них частоты, определяют в разных странах соответствующие регулирующие органы [2]. Приведенные ниже данные дают общее представление о решаемых БНС задачах и используемых для этого диапазонах частот.

Коммуникационная служба медицинских им-плантов (КСМИ) — Medical Implant Communication Service (MICS) используется для связи с им-плантами и работает в большинстве стран в лицензируемой полосе частот 402...405 МГц. Служба беспроводной медицинской телеметрии (СБМТ) —

Wireless Medical Telemetry Services (WMTS) также использует лицензируемую полосу частот. Как КСМИ, так и СБМТ не поддерживает приложения с высокой скоростью передачи данных. Для мониторинга также используется нелицензируе-мая полоса частот для промышленности, науки и медицины (ПНМ) — Industrial, Scientific and Medical (ISM), которая поддерживает высокоскоростные приложения и доступна повсеместно. Однако в этой полосе частот имеются большие возможности для интерференции с другими радиосредствами, включая устройства стандартов IEEE 802.1, IEEE 802.11 и IEEE 802.15.4 немедицинского назначения.

Рассмотрим состав, структуру и принципы функционирования БНС более детально.

1. БЕСПРОВОДНЫЕ НАТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ СЕТИ

В общем случае беспроводные нательные сенсорные сети представляют собой систему разнородных устройств, расположенных в непосредственной окрестности или внутри тела потребителя и взаимодействующих между собой и с центральным координирующим узлом посредством беспроводной связи, для получения полезного эффекта для потребителя.

Устройства в сети можно разделить на сенсорные узлы, актуаторные узлы и персональные устройства.

Беспроводный сенсорный узел — устройство, которое реагирует на определенный физический (химический) процесс, собирает данные, при необходимости обрабатывает их и передает беспроводным образом. Сенсорный узел состоит из нескольких компонентов: собственно датчика, блока питания, процессора, памяти, передатчика или приемопередатчика [3].

Беспроводный актуаторный узел — устройство, которое воздействует на тело в соответствии с данными, получаемыми от сенсоров или через взаимодействие с пользователем. Компоненты актуа-торного узла сходны с компонентами сенсорного узла. Он содержит собственно актуатор (т.е. прибор для медицинского применения, включающий емкость для хранения медицинского препарата), блок питания, процессор, память, передатчик или приемопередатчик.

Беспроводное персональное устройство (ПУ) — устройство, которое собирает всю информацию, полученную от датчиков и исполнительных механизмов (актуаторов), и информирует пользователя (т.е. пациента, медсестру, врача и т.д.) при помощи внешнего шлюза, привода или дисплея све-тодиодов на приборе. Компоненты ПУ: блок питания, (большой) процессор, память и приемопередатчик. Это устройство называют также бло-

ком контроля тела (Body Control Unit — BCU) [4], шлюзом тела или стоком. В некоторых реализациях в качестве ПУ используется персональный личный цифровой помощник (Personal digital assistant (PDA)) или смартфон.

Датчики и актуаторы в общем случае могут иметь как медицинское, так и не медицинское назначение.

Сети внутри тела применяют для мониторинга и включают программы изменений для пейсмей-керов и имплантируемых сердечных дефибрилляторов, контроля функций мочевого пузыря и реабилитации движения конечностей [5]. На теле человека используют мониторинг ЭКГ, давления крови, температуры и дыхания. При использовании БНС пациенты обладают значительной физической мобильностью и в меньшей степени привязаны к больнице.

К немедицинским применениям относятся мониторинг забытых вещей, создание социальных сетей, спортивные и фитнес-развлечения, специальные (контроль состояния летчиков, пожарных, сотрудников МЧС и др.) и военные (снижение усталости солдат и повышение боеготовности).

Примеры датчиков и актуаторов в БСН показаны на рис. 1.

В БНС могут использоваться сенсоры и актуаторы многих типов. В дальнейшем термин узлы будет относиться как к сенсорам, так и к актуаторам.

Число узлов в БНС ограничено назначением сети; предполагают, что оно будет находиться в пределах 20—50 [5—7].

Скорость передачи. В связи с неоднородностью приложений скорость передачи данных в БНС может сильно меняться. Типичные скорости передачи данных для разных типов узлов приведены в табл. 1. Можно заметить, что они невелики. Однако если в БНС задействовано несколько устройств (т.е. несколько датчиков движения, сенсоры ЭКГ, ЭМГ, глюкозы и т.д.), то агрегированная скорость передачи данных легко достигает нескольких Мбит/с, что выше, чем физическая скорость передачи данных в большей части беспроводных технологий передачи данных малой мощности.

Надежность передачи данных определяется вероятностью ошибки на бит передаваемой информации (Bit Error Rate (BER)), которая пере-считывается в вероятность ошибки на пакет (Packet Error Rate (PER)) и используется для определения числа потерянных пакетов. Для медицинского устройства требуемые надежности меняются в зависимости от скорости передачи данных. Устройства с низкой скоростью передачи данных могут справиться с высоким BER (например, 10-4), в то время как для устройства с более высокой скоростью передачи данных требуются

ЭКГ

Позиционирование

Инъекция инсулина

Глюкоза

Молочная кислота

Искусственное колено

Слуховой аппарат Кохленарный имплант

Датчик движения

Кровяной насос ЭКГ

Содержание кислорода в крови

Персональное устройство

Искусственное колено

Датчик давления

Рис. 1. Пример размещения датчиков и актуаторов в беспроводной нательной сети.

более низкие BER (например, 10-8 ... 10-10). Необходимые значения BER также зависят от критичности данных.

Потребляемая мощность. Потребляемая сенсорным узлом мощность может быть разделена на три части: потребление датчика, (беспроводная) связь и обработка данных [3]. Предполагается, что наибольшее потребление мощности происходит при беспроводной связи. Мощность, доступная в узлах, часто ограничена. В большинстве случаев размер батареи и ее вес являются определяющими для размера и веса всего устройства. В некоторых приложениях узел должен работать в течение нескольких месяцев и даже лет без вмешательства человека. Например, для работы кардиостимулятора или мониторинга глюкозы необходим жизненный цикл батареи более пяти лет. Время жизни батареи особенно критично для имплантированных устройств. Необходимость заме-

ны или подзарядки увеличивает стоимость и снижает удобство использования не только малогабаритных имплантируемых устройств, но и более крупных приборов.

Качество обслуживания и надежность. Надлежащее качество обслуживания (Quality of Services — QoS) является важной характеристикой при управлении рисками в медицинских приложениях. Критически важным вопросом является обеспечение такой надежности передачи, которая гарантирует, что получе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»