Reti di sensori wireless anche per il corpo umano

WIRELESS –

Le reti di sensori wireless a corto raggio e bassa dissipazione di potenza che interconnettono dispositivi indossabili, sono oggi diffuse in molteplici ambiti applicativi, come il medicale e l’infotainment.

Le reti di sensori wireless hanno trovato negli ultimi anni rapida diffusione in molti ambiti di applicazione, inclusi quelle che riguardano direttamente la persona umana. Ban (Body area network) è il termine utilizzato in questo ambito per la descrizione delle reti wireless a corto raggio e bassa dissipazione di potenza, realizzate in prossimità di o all'interno del corpo umano e per applicazioni di tipo medicale (monitoraggio dei parametri vitali, somministrazione di medicinali, assistenza a persone con disabilità ecc.) o di infotainment (interactive gaming, video streaming ecc.). Le reti Ban possono essere considerate sotto certi aspetti un sotto-insieme delle reti Wpan (Wireless personal area network), sebbene la realizzazione di una rete Ban non preveda necessariamente comunicazione wireless. Una rete Ban consiste tipicamente di un Bcu (Body central unit) con funzionalità di elaborazione dati e hub di comunicazione e diversi Bsu (Body sensor unit) periferici per gli scopi di sensing di parametri ambientali (vitali e non). Ieee 802.15.6 è la nuova specifica recentemente proposta per la standardizzazione delle reti Ban. Il relativo Task Group era stato attivato nel 2007; dopo una versione draft dello standard emessa nel Luglio del 2011, la prima revisione ufficiale è stata rilasciata nel febbraio 2012. Il primo esempio di applicazioni di rete Ban in ambito medicale (operante nella banda intorno a 400 MHz) in accordo alla normativa Ieee 802.15.6 è stato presentato nell'aAprile scorso presso la Fujitsu Clinic di Kawasaki in Giappone ad opera dei ricercatori Fujitsu. Di seguito sono descritte le caratteristiche principali della normativa Ieee 802.15.6. La specifica prevede topologie di rete di tipo a stella o ibride, di tipo a stella/mesh. Nelle reti a stella, in particolare, sono previste architetture a singolo hop (in cui i nodi comunicano direttamente con l'hub) e a 2 hop (nelle quali la comunicazione tra hub e nodo passa attraverso un terzo nodo che opera come repeater/relay). La comunicazione è wireless, di tipo bidirezionale, con data rate compreso tra 10 Ksps e 10 Mbps e con latenza inferiore a 125 ms (250 ms per le applicazioni non medicali). È previsto un singolo hub per rete e un numero massimo di nodi di 64. Lo standard è pensato per consentire la coesistenza di diverse reti Ban in aree limitate, supportando, ad esempio, tipicamente fino anche a 10 reti in volumi dell'ordine di 6 x 6 x 6 metri cubi. Lo standard 802.15.6 definisce Mac e Phy della rete, in accordo alla struttura tipica della serie di normative Ieee 802.

Mac Layer
Il canale può operare nelle modalità beacon-mode con super-frame e non beacon-mode con e senza super-frame. Nel primo caso, il tempo è diviso in intervalli di uguale durata (super-frame) delimitati dalla trasmissione dei frame di beacon da parte dell'hub e divisi a loro volta in slot temporali all'interno dei quali avviene la comunicazione con i nodi. La durata di un frame può estendersi su più di un singolo slot di un super-frame. Per ogni slot può essere autorizzata la trasmissione solo di determinati tipi di frame, consentendo così di riservare banda garantita al traffico ad elevata priorità. A seconda del tipo di frame, l'accesso al mezzo fisico può essere riservato (contention-free) o conteso (contention-based). In quest'ultimo la negoziazione avviene mediante algoritmi di accesso di tipo Csma/Cs o su base di un modello Aloha e l'accesso al mezzo viene assegnato al nodo per un intervallo specificato su base temporale (polling di tipo I) o in termini di numero di frame da trasmettere (polling di tipo II). Nella modalità non beacon è invece prevista soltanto l'allocazione non schedulata del canale con polling di tipo II. L'algoritmo di negoziazione Csma/Ca dell'accesso al mezzo fisico prevede contatori di backoff in ogni nodo, inizializzati in maniera casuale; ad ogni slot il contatore viene decrementato e il nodo è autorizzato a provare trasmettere quando il contatore attiva a zero. L'uso effettivo di banda del canale può superare anche l'80% della capacità di trasmissione teorica disponibile, in funzione soprattutto della bontà del canale e della lunghezza dei frame dati. I frame sono strutturati in un header di lunghezza fissa (56 byte) e in un body di lunghezza variabile, seguito infine da un campo di controllo (FCS - Frame Check Sequence). Al solito, l'header riporta le informazioni essenziali di protocollo come, ad esempio, la richiesta e le modalità di acknowledge del messaggio, il livello di sicurezza della comunicazione, il tipo di frame corrente, gli Identificativi di mittente e destinatario etc. etc. Sono previsti frame di controllo, di gestione e dati. È inoltre prevista la possibilità che nodi che non prevedano attività transitino in uno stato di ibernazione dandone comunicazione all'hub o, nelle comunicazioni con superframe in beacon-mode, automaticamente negli slot temporali ad essi non associati. L'associazione dei nodi alla rete segue un preciso meccanismo di controllo con i nodi che transitano tramite stati predefiniti in funzione delle informazioni scambiate. È supportata connessione per comunicazione secured e non secured. In generale sono previsti 3 diversi livelli di sicurezza. In comunicazione di livello 0 la trasmissione è non sicura, non essendo previsto alcun meccanismo di autenticazione e controllo di integrità del messaggio. L'autenticazione è prevista nelle connessioni di livello 1 mentre l'ulteriore encryption dei frame per il controllo di integrità è applicata al livello 2. La definizione del livello di sicurezza della connessione è definita all'atto dell'associazione del nodo alla rete. Il protocollo prevede l'impiego di una chiave Mk (Master key) pre-definita o ri-attivata per l'autenticazione e l'utilizzo di chiavi Ptk (Pairwise temporal key) e Gtk (Group temporal key) per comunicazione uni-cast e multi-cast. La cifratura delle informazioni segue lo normativa Aes-128.

Phy Layer
Lo standard Ieee 801.15.6 prevede 3 diversi livelli fisici : NB (Narrow Band), Uwb (Ultra Wide Band) ed Hbc (Human Body Communication). Il livello NB copre la comunicazione nelle bande da 402 MHz a 405 MHz, da 420 MHz a 450 MHz, da 863 MHz a 870 MHz, da 902 MHz a 928 MHz, da 950 MHz a 958 MHz, da 2360 MHz a 2400 MHz e da 2400 MHz a 2483,5 MHz. Utilizza modulazione Dpsk (Differential phase shift keying) in tutte tranne che nella banda da 420 MHz a 450 MHz dove adotta invece modulazione Gsmk (Gaussian minimum shift keying) arrivando a supportare rate di trasmissione fino a 600 Kbps. Il numero di canali varia, a seconda della banda e della modulazione adottata, da 10 a 79. I frame Mac (che costituiscono in questo caso direttamente i Physical-Layer Servide Data Unit) sono incapsulati in Ppdu (Physical-layer protocol data unit) apponendovi in testa header e preambolo (quest'ultimo necessario a rilevazione del pacchetto, sincronizzazione temporale e ricostruzione dell'offset di portante). Il livello Uwb è invece orientato espressamente ad applicazioni ad elevata affidabilità, elevate prestazioni ma bassa dissipazione di potenza. Sono previsti due diversi modi operativi, ovvero default mode e QoS, quest'ultimo destinato ad applicazioni medicali ad elevata priorità. I PPDU consistono dei campi Shr (Synchronization Header), Phr (Physical Layer Header) e Psdu, che può includere oltre al Mpdu (Mac Protocol Data Unit), ovvero il frame definito dal Mac Layer, codici Bch di controllo di parità (in modalità default). Sono previste 2 diverse bande di trasmissione. La prima (low band) include 3 canali di comunicazione equispaziati, intorno alla frequenza centrale di 3993.6 MHz e con larghezza di banda di 499.2 MHz. La seconda banda (high band), che va da 6489.6 MHz a 9984.0 MHz è invece occupata da 8 canali con analoga larghezza di banda. Sono previsti 3 diversi schemi di modulazione, ovvero modulazione On-Off (mandatoria nella modalità default), modulazione Bpsk/Qpsk differenziale ed una combinazione di modulazione BFSK a fase continua e modulazione di fase wideband. Il rate di trasmissione è tipicamente fino a 0.48755 Mbps dei primi due casi e 250 Kbps in modulazione wideband. Il livello fisico HBC si basa infine su comunicazione di tipo Efm (Electric Field Communication) che sfrutta il corpo umano come mezzo di propagazioni di impulsi elettrici di bassa potenza; si tratta di una soluzione del tutto nuova che sta trovando tuttavia interessanti applicazioni. La banda di comunicazione è centrata intorno a 21 MHz con larghezza di 5.25 MHz e data rate variabile da 164.1 a 1312.5 Kbps. Il frame a livello fisico consiste di Plcp Preamble (necessario per la sincronizzazione al ricevitore), Sfd (Start Frame Delimiter), Plcp Header e Psdu, quest'ultima processata mediante scrambler. I dati sono quindi trasmessi mediante uno schema detto Fsdt (Frequency selective digital transmission) in cui gruppi di 4 bit sono impiegati per indirizzare 16 tra 64 codici Walsh a loro volta associati ad altrettanti chip modulati selettivamente in frequenza (Frequency shift coding).

Pubblica i tuoi commenti