بخشی از مقاله
بررسی شبکه های بدنی بیسیم برای کاربردهای پزشکی
چکیده:
پیشرفتهای جدید در زمینههای مدار های مجتمع، ارتباط بیسیم، تکنولوژیهای نیمههادی و علم کوچک سازی1 باعث رشد شبکه حسگر در کاربرد وسیعی از جمله پزشکی و سازمان بهداشت و درمان شده است. از طرفی دیگر افزایش بیماریها و هزینههای درمانی ناشی از آن سبب پیدایش تکنیک-هایی برای حل این مشکلات شده است. یکی از این تکنیکها به کارگیری شبکه های بیسیم بدنی میباشد. انتظار میرودWBAN انقلابی در نظارت-های سلامتی انسانها به وجود آورد. اما این تکنولوژی در مراحل اولیه توسعه خود قرار دارد. در این مقاله خلاصهای از شبکه های بدنی بیسیم ارائه شده است که شامل کاربردها، مزایا و معماری WBAN میباشد. سپس امنیت در شبکه های بدنی بیسیم که شامل سه مرحله رمزنگاری، احراز هویت و تشخیص صحیح خطای انتقال را بیان کرده و تهدیدات امنیتی و انواع حملات درWBAN بررسی میشوند و چالشهای موجود در WBAN مورد مطالعه قرار میگیرد. علاوه بر آن استانداردهای 802,15,6 که برای شبکه های WBAN به کار میرود، مورد مرور و دو قسمت اصلی آن شامل لایه فیزیکی، لایه دسترسی کنترل رسانه(2(MAC مورد بحث قرار میگیرد. از جمله نتایج این تحقیق این است که ما مشاهده کردیم این است که با وجود اینکه توپولوژی ستاره به طور طبیعی برای این شبکهها به کار میرود نشان داده شد که این توپولوژی از لحاظ مصرف انرژی و برقراری ارتباط مطمئن چندان کارا نیست و در عوض توپولوژی چند پرشی عملکرد بهتری دارد .
کلیدواژهها:WBAN، شبکه های بدنی بیسیم، حسگر، 802,15,6
.1 مقدمه:
امروزه بحث سیستم های کنترل و نظارت از راه دور یکی از مباحث پر چالش در زمینه علوم الکترونیک و کامپیوتر میباشد .تفاوت اصلی شبکه-های حسگر با سایر شبکه ها در ماهیت داده–محور وهمچنین منابع انرژی و پردازشی بسیار محدود در آنه است که موجب شده تا روش- های مطرح شده جهت انتقال داده ها در سایر شبکه ها و حتی شبکه هایی که تا حد زیادی ساختاری مشابه شبکه های حسگر دارند(مانند شبکه-های موردی)،در این شبکه ها قابل استفاده نباشند. روند توسعه این شبکه –ها درحدی است که مطمئنا این شبکه-ها درآینده نزدیک ،نقش مهمی را در زندگی روزمره ما ایفاخواهندکرد.از جمله کاربرد هایی که در حال حاضر برای شبکه حسگر مطرح میشود در زمینه پزشکی میباشد. با تولید حسگرهایی با توانایی اندازهگیری دقیق و سریع علائم حیاتی بدن، میتوان انتظار استفاده بیش از پیش شبکه-های حسگر بیسیم برای ارائه بهتر خدمات درمانی به بیماران و آسیب-دیدگان در سوانح مختلف را داشت. تلاشهای کنونی در جهت نیل به سیستمی است که به صورت خودکار علائم حیاط بدن را اندازهگیری کرده و در صورت لزوم آن را به پزشک ارائه دهد که اینگونه از سیستمها به نام سیستمهای نظارت بر سلامت بیمار 1 شناخته می-شوند.
WBANشامل چندین حسگر کوچک الکترونیکی است کـه بـه انسـان متصل هستند و به طور خاص به مشکلاتی مانند فشار خون، قند خون، جنبش اندام و... نظارت میکنند و به یک هماهنگ کننده مـیفرسـتند. این سنسورهای کوچک اطلاعات مربـوط بـه سـلامتی را جمـع آوری کرده و با پزشکان یا سرورهای پزشکی ارتباط برقرار کرده، بـه طـوری که آنها می توانند پارامترهای سلامتی بیمار را تجزیه و تحلیل کننـد و مورد نظارت قرار دهند.[4]
.2کاردبردها و مزایای WBAN
کاربردهای WBAN به دو دسته کلی پزشکی و غیرپزشکی تقسیم میشوند که در شکل 1 نشان داده شده است.[ 6] کاربردهای پزشکی شامل جمعآوری اطلاعات حیاتی بیمار به طور پیوسته و ارسال آن به ایستگاههای راه دور برای تحلیل بیشتر است. این حجم زیاد از اطلاعات بیمار میتواند در جلوگیری از احتمال حملات قلبی، همچنین مراقبت در برابر بیماریهای خطرناکی مثل سرطان ، آسم، اختلالات اعصاب و... موثر باشد. مواردمتعددی از به کارگیری WBANدر موارد پزشکی از جمله برای تشخیص و درمان بیماری و در موارد غیرپزشکی از جمله کاربردهای نظامی وبازی ها و سرگرمی ها مطابق شکل زیر وجود دارد..[3]
شکل(:(1کاربردهای.[6WBAN]
WBAN که به منظور اهداف پزشکی مورد استفاده قرار میگیرد چند مزیت مهم در مقایسه با سیستمهای پایش2 قدیمی دارد اولین مزیت به دلیل ماهیت بیسیم بودن شبکه های WBAN میباشد که باعث راحتی هر چه بیشتر بیمار میشود به طوری که بیمار میتواند تمام فعالیتهای روزمرهی خود را (با وجود حسگرها) بدون هیچ مزاحمتی انجام دهد.دومین مزیت ، سهولت نظارت بر بیمار (مشاهده علائم فیزیولوژی بدن بیمار) به دلیل مستقل بودن از موقعیت بیمار است.[6] علاوه بر این، برخی از دستگاه های بی سیم کاشتهمی تواند درد بیماران در هنگام تشخیص و درمان را کاهش دهد.[9]
.3معماری سه لایهای سیستم نظارت بر سلامتی بیمار
معماری شبکه، سازماندهی منطقی دستگاههای ارتباطی در یک سیستم میباشد.[9]در این بخش سیستم نظارت بر سلامتی بیمار متشکل از سه لایه است، بررسی میشود.
-1 ارتباطات درون)3BAN لایه شبکه حسگر)،
-2 ارتباطات بین )1BANلایه شبکه محاسبات)،
-3 ارتباطات فراتر از )2BANلایه شبکه نظارت از راه دور).[12]
شکل((2یک معماری عمومی از یک سیستم نظارت بر سلامتی مبتنی بر BAN را نشان میدهد.
ECG،3EEG،4EMG،سنسورهای حرکتی و سنسورهای فشار خون داده های خود را به دستگاه سرورشخصی (PS)5 ارسال میکنند. سپس این داده ها برای تشخیص بیماری از طریق ارتباط بلوتوث یا 6WLAN به سایت یک پزشک یا به یک پایگاه داده پزشکی برای نگهداری سوابق یا به یک سیستم هشداردهنده، فرستاده میشود.
.1,3معماری ارتباطات داخلBAN
این معماری بر اساس ویژگیهای سیستم در شرایط خاصی انجام می-شود و این میتواند بر روی کارایی سیستم از طرق مختلفی همچون مصرف انرژی، توانایی در رفتار کردن با انواع بارهای ترافیکی، پایداری شبکه، انتخاب پروتکل MAC،تاخیر انتقال و تداخل کاربران تاثیر بگذارد.
ما اصطلاح "ارتباطات درون BAN" را در اشاره به ارتباطات رادیویی حدود 2 متر در اطراف بدن انسان تعریف میکنیم ،که میتواند به دو زیر گروه: -1 ارتباط بین سنسورهای بدنی با هم -2 ارتباط بین سنسورهای بدنی وPS قابلحمل تقسیم شود. یکی از ویژگیهای این نوع ارتباط ذات باطری و نرخ بیتی پایین حسگرهای بدنی موجود می-باشد که به عنوان یک چالش مطرح است. برای اجتناب از این نوع چالشها بین حسگرها و PS طرحهایی مانند MITHril و SMART معرفی شده است که از کابل به طور مستقیم برای اتصال حسگرها با یک PS استفاده میشود که در شکل((3 نشان داده شده است.
روش بعدی روشی به نام CODE BLUE میباشد که در آن حسگرهابدون استفاده از PS، به طور مستقیم به صورت بیسیم با Aps در ارتباط هستند. که در شکل 4 نشان داده شده است.
در مقایسه با دو روش قبل شکل (5) یک نوع معماری با توپولوژی استار را نمایش میدهد که به موجب آن چند حسگر بدنی بیسیم با یک PS به صورت بیسیم ارتباط برقرار کردهاند و از طریق آن اطلاعات خود را به یک اکسس پوینت میفرستند.
شکل (6) نسبت به دو سطح قبل پیشرفتهتر هستند و در آنها حسگرها به دلیل کاهش مقدار داده های خام و صرفهجویی در انرژی به صورت سیمی یا بیسیم به یک پردازنده مرکزی متصل هستند .پس از هجوم دادهها حجم دادههایی که از پردازنده مرکزی به PS منتقل میشوند کاهش مییابد.
در مقایسه با شبکه های حسگر بیسیم که به منظور مشاهدات محیطی به کار میروند، WBAN دارای محدودیتهای مضاعفی در برقراری ارتباطات و دریافت داده از بدن انسان میباشد به عنوان مثال به دلیل محدودیت های بدن انسان تعداد کمی حسگر میتواند روی بدن پخش شود، با توجه به این محدودیتها و به دلیل مقیاس کوچک WBAN و فاصله کوتاه بین لینکها (ارتباط بین گره و سینک) توپولوژی ستاره به عنوان یک انتخاب طبیعی و پیش فرض برای WBAN محسوب می-شود. از سوی دیگر به دلیل حرکت کاربر و ماهیت بدن انسان ، کانال-های ارتباطی بیسیم روی بدن دائما تغییر میکند.در نتیجه نیاز به برقراری ارتباط بیسیم مطمئن که انرژی را به طور موثر بگیرد احساس میشود. به همین دلیل معماری دیگری به عنوان چند پرشی مطرح میشود که در آن حسگرها ممکن است به عنوان گره رله 1استفاده شوند تا کارایی انتقال را افزایش دهند.
در آزمایشی به عنوان تحلیل کارایی معماری ستاره صورت گرفته است.نتایج به دست آمده در این مقاله تایید میکند که معماری چند پرشی در مقایسه با معماری ستاره کاراتر میباشد و در کاربردهای پزشکی، معیارهای قابلیت اطمینان و مصرف انرژی به طور موثر را فراهم میکند. همچنین در معماریهای ستاره2 و چند پرشی 3مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله دو نمونه از شبکه های چند پرشی مطرح شده است. شبکهای با معماریچند پرشی به منظور بهینه کردن حداکثر نرخ تحویل دادن بسته((PDR و شبکهای با معماری چند پرشی به منظور بهینه کردن حداقل میانگین تعداد انتقال دوباره(.(ANR نتایج به دست آمده از این مقاله در زیر آمده است.
· معماری ستاره برای محیط پویا نا مناسب است. معماری چند پرشی چون از گره رله استفاده میکند میتواند خود را با تغییرات وفق دهد.
· اگر یک شبکه به PDR بالایی نیاز داشته باشد و در محیط پویایی قرار داشته باشد آنگاه باید معماری چند پرشی با حداثر PDR به کار گرفته شود.
· اگر طراح WBAN بخواهد شبکهای طراحی کند که حداقل انرژی را مصرفکند و کمترین تاخیر راهم داشته باشد،معماری چند پرشی با حداقل ANR بهترین انتخاب است.
· از نقطه نظر تداخل کاربران ، معماری ستاره نباید در محیط-های باز استفاده شود.چون در این محیطها تنها راه افزایش قابلیت اطمینان، افزایش توان است و این افزایش توان به شدت بر تداخل کاربران تاثیر میگذارد.
.2,3معماری ارتباط بین BAN
در این قسمت ارتباط بین BAN را به عنوان ارتباط بین PS و یک یا چند 4(Aps)تعریف میکنیم.ما الگوهای ارتباط بین BAN را به دو دسته تقسیم میکنیم:-1 معماری مبتنی بر زیر ساخت-25 معماری مبتنی بر6ad hoc
.1,2,3معماری مبتنی بر زیر ساخت
اکثر برنامههای کاربردی BAN از معماری مبتنی بر زیر ساخت استفاده میکنند. در ارتباط بین BAN فرض بر این میشود که یک محیط زیست با فضای محدود وجود دارد. به عنوان مثال یک اتاق انتظار در بیمارستان،خانه و دفتر و ... در مقایسه با شبکه ad hocشبکه مبتنی بر زیرساخت از مدیریت متمرکز و کنترل امنیت استفاده میکند. با توجه به این ساختار متمرکز AP به عنوان سرور پایگاه داده در برخی ازبرنامههای کاربردی کار میکند.به عنوان مثال( SMART,.(CareNet
2,2,3معماری مبتنی بر ad hoc
در معماری مبتنی بر ad hoc ، چندین Aps برای کمک به انتقال اطلاعات حسگرهای بدنی به مراکز پزشکی مستقر هستند. بنابراین پوشش خدمات نسبت به معماری مبتنی بر ساختار بزرگتر میباشد، کار کاربران را برای حرکت در اطراف یک ساختمان، زمین بازی و یا در یک نقطه از امداد اورژانس راحتتر میکند. دو دسته از گرهها در این معماری وجود دارد: گرههای نصب به عنوان مثال،حسگر/گرههای فعال در یا اطراف بدن و گرههای روتر اطراف یک BAN که هر دو مشابه سختافزار رادیو هستند برای آسان کردن مسیریابی چند پرشیمعماری نصب شبیه به WSN سنتی میباشد. و هر دو آنها اغلب از دروازه1 به عنوان رابط با جهان خارج استفاده میکنند.
