بخشی از مقاله
چکیده
شبکه هاي بیسیم سنسوري امروزه براي کاربردهاي مانیتورینگ در محیط هاي وسیع جزء تکنولوژي هاي کم هزینه محسوب می گردند. ایجاد حسگرهاي کوچک که توانایی انجام اعمالی چون دریافت اطلاعات مختلف محیطی - بر اساس نوع حسگر - پردازش و ارسال آن اطلاعات را دارند، موجب پیدایش ایده اي براي گسترش شبکه هاي موسوم به شبکه هاي بیسیم حسگربدنی شده اند . شبکه هاي بی سیم حسگر بدن، مجموعه اي از سنسورهاي پوشیدنی بی سیم هستند که اطراف یا درون بدن انسان قرار داده می شوند تا به مانیتورینگ و نظارت اطلاعات مهم از بدن انسان بپردازند.
یک گیرنده - یعنی واحد کنترل - مورد نیاز است تا این سنسورها به مکان هاي از راه دور - یعنی پایگاههاي داده اي بیمارستان ها و مراکز تلفن - متصل شوند. حسگر هاي پوشیدنی می توانند در شبکه بیسیم سطح بدن - wireless body area network - یا WBAN مجتمع سازي شوند تا بر علائم حیاتی ، پارامترهاي محیطی و موقعیت جغرافیاي نظارت کنند ، و نظارت بلند مدت و سیار از بیماران و افراد مسن را فراهم کند و بی درنگ در موارد اضطراري به مراکز مانیتورینگ اعلام خطر کند ودر صورت نیاز اقدامات لازم صورت گیرد ، درباره وضعیت سلامتی فعلی کاربران به آنها خبر دهد و پرونده هاي پزشکی کاربران را به صورت بلادرنگ بروز کنند.
باتوجه مزایاي قابل توجه سیستم هاي پهن باند نسبت به باند باریک - مصرف پایین توان، اندازه کوچک و قابلیت بالاي سرعت یا نرخ داده و... - در اینجا یک نود - node - سنسور بدنی با پهناي باند بسیار وسیع - UWB - مورد بررسی قرار گرفته است تا عملکرد واقعی یک شبکه بی سیم حسگر بدنی مبتنی بر UWB نشان داده شود
-1 مقدمه
شبکه بی سیم حسگر بدنی - WBAN - مجموعه اي از سنسورهاي بی سیم هستند که در اطراف یا درون بدن انسان قرار داده شده اند تا به شیوه بی سیم به جمع آوري اطلاعات مهم بپردازند .
در سال هاي اخیر، شاهد افزایش علاقه به کاربرد تکنولوژي بی سیم پهناي باند وسیع - UWB - براي استفاده در شبکه هاي بی سیم حسگر بدنی - WBAN - می باشیم که به دلیل برخی مزایاي مهمّ آن، مانند انتقال با توان – پایین - Low-power - ، فرکانس رادیویی - RF - پایین، و اثرات تداخل الکترومغناطیسی - EMI - در محیط پزشکی، آنتن با اندازه کوچک، و میزان یا نرخ بالاي داده - high data rate - می باشد .
ارتباطات UWB در مانیتورینگ و نظارت سیگنال هاي پزشکی پیوسته، مانیتورینگ پزشکی با سرعت بالا مانند قرص هاي الکترونیکی، بعنوان یک سیستم ویدئویی بی سیم در محیط هاي بیمارستانی، و یک ثبت عصبی چند کانالی براي به دست آوردن میزان بالا داده 100Mbps براي سطح مشترك مغز – کامیپوتر به کار رفته است. همچنین UWB براي آنالیز و ردیابی گیت یا قدم هاي پزشکی جالب است زیرا عملکرد بسیار دقیقی دارد.
در یک سیستم WBAN، الزامات و شرایط بسیار دقیقی بر روي گره یا نود سنسور قرار داده شده است.
نودهاي سنسور باید کوچک باشند، توان بسیار اندکی مصرف کنند و قابل اطمینان باشند. بنابراین، به حداقل رساندن مصرف توان یک نود سنسور اهمیت بسیاري دارد. بنابراین، ایجاد یک نود سنسور پوشیدنی بر اساس ارتباطات UWB براي آنالیز ارتباطات در اطراف بدن انسان اهمیت بسیاري دارد. در منابع موجود، تلاش هاي قابل توجهی براي طراحی فرستنده گیرنده هاي UWB صورت گرفته است، هر چند که این فرستنده گیرنده ها باید توان پایینی مصرف کنند تا یک باتري کوچک مورد استفاده قرار گیرد، همچنین در یک بورد الکترونیکی کوچک با سایر اجزا و مولفه هاي نودهاي سنسور مجتمع شده تا سیستم سنسور UWB براي کاربردهاي WBAN پوشیدنی شوند.[6]
یک سیستم نوعی WBAN شامل چندین نود یا گره سنسور و یک نود انفرادي گیرنده - یا واحد کنترل - است که به هر کاربر متصل شده است. اگر چه مکان هاي نودهاي سنسور معمولاً ثابت هستند، اما بر اساس سیگنال هاي فیزیولوژي خاصی که باید اندازه گیري شود، موقعیت مکانی گیرنده - واحد کنترلر - ثابت نمی باشد.
و معمولا در مکانی قرار دارد که توسط طراح سیستم تشخیص داده شده یا در جایی است که سطح راحتی کاربر را افزایش دهد. انتخاب جایگاه بهینه براي گیرنده می تواند موجب انتقال قابل اطمینان با توان انتقال پایین شود.
این امر موجب افزایش طول عمر باتري نودهاي سنسور می شود.
سازماندهی این مقاله به شرح زیر است: بخش 2 سیستم پیشنهادي UWB WBAN و ویژگی هاي آن را توضیح می دهد. در بخش 3، نود سنسور UWB مورد بررسی قرار می گیرد.در بخش 4 طرح کلی یک سیستم UWB-WBAN آورده شده و در بخش5 به گیرنده و توان مصرفی آن می پردازد ودر نهایت دربخش 6 نتیجه گیري صورت می گیرد.
-2 ویژگی هاي سیستم UWB
براساس استاندارد هر سیگنالی که پهناي باند نسبی آن - نسبت پهناي باند به سیگنال حامل - بیش از 20% باشد و یا پهناي باند مطلقی بیش از 500MHZ داشته باشد ، فراپهن باند محسوب می شود . بیشینه چگالی طیف توان ارسالی -41.3dBm/MH است. این پهناي باند کسري، نوعی پهناي باند بین -10dB فرکانس گوشه پایین و بالا تعیین شده است. UWB امکان فعالیت در 0-960MHz و در باند 3.1 – 10.6 GHz را دارد.
پیاده سازي یک سیستم UWB می تواند به روش هاي مختلفی صورت گیرد. اولین راهکار،افزایش نرخ داده سیستم هاي باند باریک سنتی است که افزایش پهناي باند را به دنبال خواهد داشت. در نتیجه استفاده از مدولاسیون OFDM یکی از انتخاب هاي ممکن براي پیاده سازي سیستم هاي سنتی با پهناي باندهاي زیاد خواهد بود. در این حالت که به چند حاملی نیز شناخته می شود،پهناي باند 7.5GHzبه 15 یا بیشتر زیر باند شکسته و در هر باند از OFDM براي ارتباط استفاده می شود. مزیت این روش این است که می توان در باندي که رادیوي دیگري قرار دارد ارتباط رادیویی نداشت، اما مصرف توان سیستم هاي چند باندي بالاست که به دلیل پردازش پیچیده سیگنال بلادرنگ - real time - مورد نیاز براي مدولاسیون OFDM است. بنابراین، براي دستگاه هایی که با باتري کار می کنند، مانند نودهاي WBAN مناسب نیستند .
راهکار دیگري که براي افزایش پهناي باند ارتباطی وجود دارد استفاده از پالس هاي باریک به جاي سیگنال هاي پیوسته است. به چنین سیستمی اصطلاحا رادیو ضربه اطلاق می شود. ارسال یک پالس باریک در هر بیت ارسالی امکان استفاده از کسر وسیعی از پهناي باند اختصاص داده شده به باند UWB را فراهم می سازد.
سیستم هاي IR-UWB پالس هاي بسیار کوتاه، و طرح هاي مدولاسیون ساده تر مانند مدولاسیون موقعیت پالس - PPM - یا OOK را ارسال می کنند که موجب ذخیره قابل توجه توان می شوند. بنابراین، آنها براي کاربردهاي WBAN که با باتري کار می کنند، مناسب تر هستند. علاوه براین، از آنجا که پالس ها تنها عرض کوچکی از بازه زمانی هر بیت را اشغال می کنند، می توان مصرف توان مدارهاي فرستنده و گیرنده را با غیر فعال کردن آنها در زمانهاي بین دو پالس به طور قابل ملاحظه اي کاهش داد.
در جدول - 1 - خصوصیات دقیق پلاتفورم هاي موجود سنسور بی سیم براي کاربردهاي WBAN نشان داده و مقایسه شده است . تکنولوژي هاي نود سنسور بی سیم بر اساس باندهاي باریک، به ویژه 2.4 GHz ISM در مانیتورینگ پزشکی کاربرد گسترده اي دارند. نود UWB با نودهاي باریک باند WBAN مقایسه شده است. نود سنسور UWB نسبت به نودهاي سنسور موجود باریک باند داراي مزایاي مصرف پایین توان، اندازه کوچک و قابلیت بالاي سرعت یا نرخ داده می باشد.
جدول : - 1 - مقایسه برخی نود هاي باند باریک و نودهاي UWB
سیستم هاي UWB از مدارهاي ساده اي بهره می برند که امکان پیاده سازي فرستنده – گیرنده هایی با مصرف کمتر از 1 نانوژول بر بیت و طول عمر باتري زیاد را ممکن می سازند. همچنین، سطح توان کم ارسالی براي انتقال داده، از آسیب رسیدن به بافت ها بر اثر امواج الکترومغناطیس جلوگیري می کند. تحقیقات بسیاري که در رابطه با کاربري هاي داخل بدن و روي بدن انجام شده، UWB را به عنوان راهبردي مناسب در ارتباطات کوتاه برد و کم توان معرفی کرده است. به طوري که استاندارد 802,15,6 نیزUWB را به عنوان یکی از گزینه هاي بخش رادیویی پیشنهاد می کند.
-3 نود - node - سنسور UWB
توسعه شبکه هاي سنسوري سطح بدن با پیشرفت تکنولوژي هاي بیسیم از جمله وایمکس و بلوتوث همراه بوده است و با ایجاد سنسورهاي پوشیدنی و جاسازي شده میتوان دیتا هاي پزشکی را راحتر و بدون آنکه در زندگی شخصی بیمار خللی به وجود آورد جمع آوري و تحلیل نمود
در یک دسته بندي کلی تراشه هاي الکترونیکی ساخته شده براي کاربردهاي پزشکی به دو دسته داخل بدن و روي بدن تقسیم می شوند . انتقال و دریافت بیسیم داده و احتمالا توان سیستم هاي کاشته شده در داخل بدن امري ضروري است .استفاده از سیم علاوه بر احتمال ایجاد عفونت ، زندگی روزمره شخص را نیز دچار مشکل خواهد کرد
