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Advisor(s)
Abstract(s)
This thesis focuses on the study of mobile wireless sensor networks applied to healthcare
scenarios. The promotion of better quality-of-life for hospitalized patients is addressed in this
research work with a solution that can help these patients to keep their mobility (if possible).
The solution proposed allows remote monitoring and control of patients’ health in real-time
and without interruptions. Small sensor nodes able to collect and send wirelessly the health
parameters allow for the control of the patients' health condition. A network infrastructure,
composed by several access points, allows the connection of the sensor nodes (carried by the
patients) to remote healthcare providers. To ensure continuous access to sensor nodes special
attention should be dedicated to manage the transition of these sensor nodes between
different access points’ coverage areas. The process of changing an access point attachment
of a sensor node is called handover. In that context, this thesis proposes a new handover
mechanism that can ensure continuous connection to mobile sensor nodes in a healthcare
wireless sensor network. Due to the limitations of sensor nodes’ resources, namely available
energy (these sensor nodes are typically powered by small batteries), the proposed
mechanism pays a special attention in the optimization of energy consumption. To achieve
this optimization, part of this work is dedicated to the construction of a small sensor node.
The handover mechanism proposed in this work is called Hand4MAC (handover mechanism for
MAC layer). This mechanism is compared with other mechanisms commonly used in handover
management. The Hand4MAC mechanism is deployed and validated through by simulation and
in a real testbed. The scenarios used for the validation reproduces a hospital ward. The
performance evaluation is focused in the percentage of time that senor nodes are accessible
to the network while traveling across several access points’ coverage areas and the energy
expenditures in handover processes. The experiments performed take into account various
parameters that are the following: number of sent messages, number of received messages,
multicast message usage, energy consumption, number of sensor nodes present in the
scenario, velocity of sensor nodes, and time-to-live value. In both simulation and real
testbed, the Hand4MAC mechanism is shown to perform better than all the other handover
mechanisms tested. In this comparison it was only considered the most promising handover
mechanisms proposed in the literature.
Esta tese centra-se no estudo das redes de sensores sem fios usando nós sensores móveis em cenários para promoção da saúde. A melhoria da qualidade de vida dos pacientes hospitalizados é abordada neste trabalho de investigação através da proposta de uma solução que possa ajudar esses pacientes a manter a sua mobilidade (sempre que possível). A solução proposta, permite o controlo remoto, em tempo real e sem interrupções do estado de saúde dos pacientes. Pequenos nós sensores, capazes de recolher e enviar, através de comunicações sem fios, parâmetros fisiológicos, permitem a monitorização do estado de saúde dos pacientes. Uma infraestrutura de rede, constituída por diversos pontos de acesso, permite a ligação dos nós sensores transportados pelos pacientes, aos prestadores de cuidados de saúde remotos. Para garantir o acesso contínuo e em tempo-real aos nós sensores, dá-se uma atenção especial à gestão da transição desses nós sensores entre as várias áreas de cobertura dos diferentes pontos de acesso. O processo de alteração do ponto de acesso que serve um determinado nó sensor é chamado de transição (handover). Neste contexto, o presente trabalho de investigação propõe um novo mecanismo de transição (handover) entre pontos de acesso que possa garantir ligação contínua aos nós sensores móveis numa rede de sensores sem fios aplicada à saúde. Devido aos recursos limitados existentes nos nós sensores, nomeadamente a quantidade de energia disponível (tipicamente estes nós sensores são alimentados por pequenas baterias), o mecanismo proposto tem em atenção a otimização do consumo de energia. Para atingir esta optimização, parte deste trabalho é dedicada à construção de um pequeno nó sensor. O mecanismo de transição (handover) proposto é chamado Hand4MAC. Este mecanismo é comparado com outros mecanismos vulgarmente usados na gestão de operações de transição (handover) entre pontos de acesso. O mecanismo Hand4MAC é construído, demonstrado e validado em dois senários diferentes, por simulação e num protótipo real. Os cenários utilizados replicam a estrutura de uma enfermaria hospitalar. A avaliação do desempenho foca-se essencialmente na percentagem de tempo que os nós sensores estão acessíveis à rede, enquanto se movem através das várias áreas de cobertura de diferentes pontos de acesso e no consumo de energia despendido no processo de transição (handover). As experiências realizadas tiveram em conta vários parâmetros, nomeadamente o número de mensagens enviadas, o número de mensagens recebidas, a quantidade de mensagens multicast usadas, o consumo de energia, o número de nós sensores presentes no cenário, a velocidade dos nós sensores e o valor do TTL (time-to-live) utilizado. Nos testes realizados, em ambos os senários, simulação e real, o mecanismo Hand4MAC mostra melhor desempenho do que todos os outros mecanismos de transição (handover) considerados. Na avaliação comparativa foram apenas considerados os mecanismos de transição (handover) mais promissores propostos na literatura.
Esta tese centra-se no estudo das redes de sensores sem fios usando nós sensores móveis em cenários para promoção da saúde. A melhoria da qualidade de vida dos pacientes hospitalizados é abordada neste trabalho de investigação através da proposta de uma solução que possa ajudar esses pacientes a manter a sua mobilidade (sempre que possível). A solução proposta, permite o controlo remoto, em tempo real e sem interrupções do estado de saúde dos pacientes. Pequenos nós sensores, capazes de recolher e enviar, através de comunicações sem fios, parâmetros fisiológicos, permitem a monitorização do estado de saúde dos pacientes. Uma infraestrutura de rede, constituída por diversos pontos de acesso, permite a ligação dos nós sensores transportados pelos pacientes, aos prestadores de cuidados de saúde remotos. Para garantir o acesso contínuo e em tempo-real aos nós sensores, dá-se uma atenção especial à gestão da transição desses nós sensores entre as várias áreas de cobertura dos diferentes pontos de acesso. O processo de alteração do ponto de acesso que serve um determinado nó sensor é chamado de transição (handover). Neste contexto, o presente trabalho de investigação propõe um novo mecanismo de transição (handover) entre pontos de acesso que possa garantir ligação contínua aos nós sensores móveis numa rede de sensores sem fios aplicada à saúde. Devido aos recursos limitados existentes nos nós sensores, nomeadamente a quantidade de energia disponível (tipicamente estes nós sensores são alimentados por pequenas baterias), o mecanismo proposto tem em atenção a otimização do consumo de energia. Para atingir esta optimização, parte deste trabalho é dedicada à construção de um pequeno nó sensor. O mecanismo de transição (handover) proposto é chamado Hand4MAC. Este mecanismo é comparado com outros mecanismos vulgarmente usados na gestão de operações de transição (handover) entre pontos de acesso. O mecanismo Hand4MAC é construído, demonstrado e validado em dois senários diferentes, por simulação e num protótipo real. Os cenários utilizados replicam a estrutura de uma enfermaria hospitalar. A avaliação do desempenho foca-se essencialmente na percentagem de tempo que os nós sensores estão acessíveis à rede, enquanto se movem através das várias áreas de cobertura de diferentes pontos de acesso e no consumo de energia despendido no processo de transição (handover). As experiências realizadas tiveram em conta vários parâmetros, nomeadamente o número de mensagens enviadas, o número de mensagens recebidas, a quantidade de mensagens multicast usadas, o consumo de energia, o número de nós sensores presentes no cenário, a velocidade dos nós sensores e o valor do TTL (time-to-live) utilizado. Nos testes realizados, em ambos os senários, simulação e real, o mecanismo Hand4MAC mostra melhor desempenho do que todos os outros mecanismos de transição (handover) considerados. Na avaliação comparativa foram apenas considerados os mecanismos de transição (handover) mais promissores propostos na literatura.
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Keywords
Redes de sensores sem fios - Aplicação à medicina Redes móveis - Aplicação à medicina Redes de sensores - Aplicação à medicina