2.3.1 Introdu¸c˜ao
Nos ´ultimos anos, devido aos recentes avan¸cos tecnol´ogicos, possibilitando a constru¸c˜ao de dispositivos e elementos sensoriais mais leves, compactos e de baixo custo e consumo energ´etico, tem havido um aumento significativo de interesse por parte de investigadores em todo o mundo, num novo tipo de arquitectura de rede, as Body Area Networks. As BAN’s s˜ao tamb´em comummente referidas como Wireless BAN’s ou ainda Body Sensor Networks.
A necessidade de monitoriza¸c˜ao de diferentes sinais vitais, foi uma das fortes raz˜oes para o desenvolvimento recente das BAN. A aplica¸c˜ao mais ´obvia das BAN ´e no sector m´edico, embora hajam muitas outros usos para as BAN [7]. Os locais ´optimos para monitorizar os diferentes sinais vitais e/ou injectar medicamentos/drogas encontram-se em diferentes locais do corpo humano. As BAN’s fornecem links de comunica¸c˜ao no, e em redor do corpo humano, possibilitando a comunica¸c˜ao entre sensores, actuadores e elementos de processamento.
Nas BAN’s, os mais variados sensores podem-se encontrar distribu´ıdos pela indument´aria do utilizador, pelo corpo ou mesmo implementados debaixo da pele.
2.3.2 Requisitos ideais
2.3. Body Area Networks
1. Capacidade de interligar os v´arios dispositivos, que podem ser desde dispositivos com- pletos/complexos (ex: um telem´ovel) a dispositivos mais pequenos que sejam parte de um principal (ex: sensores).
2. Capacidade de configura¸c˜ao autom´atica, isto ´e, a adi¸c˜ao ou remo¸c˜ao de um dispositivo de uma BAN deve ser transparente ao utilizador.
3. Integra¸c˜ao de servi¸cos, ou seja, tem de suportar a coexistˆencia de transferˆencias de tempo real como ´audio, e transferˆencias ocasionais como por exemplo uma transferˆencia de dados entre dois telem´oveis.
4. Capacidade de interliga¸c˜ao a outras BAN’s (ex: trocar informa¸c˜ao com outras pessoas) ou PAN’s (ex: acesso `a internet)
Existem v´arios aspectos a ter em conta na implementa¸c˜ao de BAN’s. A n´ıvel de hard- ware, os sensores a colocar no corpo humano devem ser de tamanho reduzido, n˜ao invasivos, devem permitir comunica¸c˜ao sem fios e gastarem o m´ınimo de energia. Do ponto de vista da comunica¸c˜ao, ´e extremamente importante projectar protocolos de acesso ao meio (MAC) apropriados, de modo a garantir capacidade de rede, eficiˆencia energ´etica e qualidade de servi¸co (QoS) adequada.
Ao contr´ario de muitas outras redes sem fios, que j´a atingiram a fase de maturidade (ex: 802.11), as BAN encontram-se ainda na sua infˆancia. Portanto, as caracter´ısticas ideais de uma BAN mencionadas atr´as, n˜ao se encontram completamente implementadas nas BAN actualmente.
A figura2.4posiciona o consumo ideal das BAN, comparativamente a outras tecnologias de comunica¸c˜ao sem fios.
Figura 2.4: Gr´afico comparativo de v´arias tecnologias de comunica¸c˜ao sem fios. Retirado de [9]
2.3.3 Posicionamento das BAN
As aplica¸c˜oes das BAN no sectores m´edico e de cuidados de sa´ude possuem um elevado potencial para a monitoriza¸c˜ao cont´ınua em regime ambulat´orio. Com as BAN ´e poss´ıvel melhorar a qualidade de vida dos paciente, permitindo retirar as restri¸c˜oes que prendem os pacientes a casa ou a servi¸cos m´edicos especializados, permitindo que executem as tarefas normais do seu dia-a-dia. A inclus˜ao de dados da monitoriza¸c˜ao cont´ınua dos pacientes, em base de dados dos servi¸cos de sa´ude, leva a que a an´alise destes dados, permitam um cuidado especializado e optimizado para cada indiv´ıduo, al´em de fornecerem um hist´orico m´edico simultaneamente.
Na figura2.5´e apresentada uma variedade de aplica¸c˜oes das BAN no sector m´edico, e os seus requisitos de taxas de transmiss˜ao.
Figura 2.5: Requisitos de variados testes no sector m´edico, onde as BAN podem ser ´uteis. Retirado de [10]
Os dispositivos numa BAN comunicando entre si, atrav´es de tecnologias sem fios, transmi- tem dados para uma esta¸c˜ao base, onde os dados s˜ao reencaminhados para o hospital, servi¸cos de emergˆencia ou outros lugares. A figura 2.6(a)exemplifica um exemplo.
Muitas das implementa¸c˜oes das BAN actualmente, consistem em re-empacotar os sensores tradicionais (ECG, batimento card´ıaco) com dispositivos sem fios j´a existentes. Tamb´em ´e importante referir que muitas destas implementa¸c˜oes, utilizam transceivers com dimens˜oes relativamente elevadas, como tamb´em acontece com o tamanho das antenas, pelo que n˜ao s˜ao indicadas para uso no corpo humano.
Na figura 2.6(b), as BAN s˜ao comparadas com outros tipos de redes sem fios, como Wireless Personal(WPAN), Wireless Local (WLAN),Wireless Metropolitan (WMAN) e Wide Area Networks(WAN).
As BAN possuem um dom´ınio de opera¸c˜ao pr´oximo do corpo humano e um alcance res- tringido a dezenas de cent´ımetros, ou at´e 1-2 metros. Enquanto as BAN est˜ao viradas para a comunica¸c˜ao entre os chamados ”wearable devices”, as PAN s˜ao uma arquitectura de rede projectada para operar no ambiente em redor de uma pessoa. O alcance das WPAN pode atingir v´arios metros, e ´e designada tanto para altos d´ebitos como para aplica¸c˜oes com taxas de transmiss˜ao reduzidas. As WLAN s˜ao projectadas para interligarem dispositivos a dezenas de metros, podendo mesmo atingir as centenas de metros. As WMAN e WAN s˜ao arquitec-
2.3. Body Area Networks
(a) (b)
Figura 2.6: (a) Exemplo pr´atico da comunica¸c˜ao nas BAN. (b) Posicionamento das BAN no paradigma nas redes sem fios. [11]
turas de grande porte, destinadas a operar nas cidades metropolitanas ou nas liga¸c˜oes por sat´elite. Cada tipo de arquitectura de rede ´e definido por standards IEEE. WPAN ´e definido pelo standard IEEE 802.15.1 (Bluetooth) ou 802.15.4 (ZigBee), WLAN utiliza IEEE 802.11 (Wi-Fi) e WMAN utiliza IEEE 802.16 (WiMAX).
2.3.4 Principais diferen¸cas entre BAN e WSN
Na literatura, n˜ao existe ainda um consenso sobre o tipo de arquitectura das BAN. Em v´arios papers, as BAN s˜ao consideradas tipos especiais de Wireless Sensor Networks (WSN). As WSN consistem numa grande densidade de n´os individuais, dotados de capacidade de computa¸c˜ao e comunica¸c˜ao sem fios, que s˜ao capazes de interagir com o meio em que se en- contram, retirando dados espec´ıficos (sensing) atrav´es de sensores, ou controlando parˆametros f´ısicos atrav´es de actuadores. Os n´os comunicam e colaboram entre si para a correcta rea- liza¸c˜ao das tarefas [12]. As WSN s˜ao projectadas para uma dispers˜ao de n´os elevada, e tˆem uma gama de aplica¸c˜oes muito vasta, passando por monitoriza¸c˜ao ambiental, de ´agua, solo, habitats (determinando a popula¸c˜ao das esp´ecies de plantas ou animais e o seu comporta- mento), detec¸c˜ao s´ısmica, vigilˆancia, aplica¸c˜oes militares, invent´ario, etc [13].
A monitoriza¸c˜ao com fins m´edicos, imp˜oe uma demanda no aumento da fiabilidade das comunica¸c˜oes. A utiliza¸c˜ao pr´atica de sensores colocados no corpo humano leva a uma ne- cessidade de dimens˜oes reduzidas por parte dos sensores e antenas. As baterias necessitam tamb´em de terem tamanho reduzido, o que leva a uma elevada eficiˆencia energ´etica.
Existe tamb´em a preocupa¸c˜ao com a mobilidade dos sensores, uma vez que, por exemplo um sensor colocado no pulso movimenta-se em rela¸c˜ao a outro colocado na anca.
Assim, s˜ao apresentadas a seguir, as principais diferen¸cas entre as WSN e as BAN [11] [14]:
• Escala e densidade: O alcance nas BAN pode variar entre cent´ımetros ou metros, en- quanto que nas WSN pode atingir dezenas de metros ou at´e mesmo quil´ometros. Nas BAN, os n´os s˜ao colocados estrategicamente no corpo humano, ou na indument´aria, e, devido ao espa¸co limitado, n˜ao ´e suposto conter n´os redundantes para compensar falhas como acontece nas WSN.
• Ritmo de transmiss˜ao: Por regra, as WSN s˜ao implementadas para monitoriza¸c˜ao base- ada em eventos (event-based), onde os eventos podem acontecerem intervalos irregulares e espor´adicos. Em contraste, nas BAN como o objectivo ´e registar e monitorizar os si- nais vitais e ac¸c˜oes de um indiv´ıduo, ´e previs´ıvel que as transmiss˜oes ocorram de forma peri´odica, o que resulta em transmiss˜oes de dados relativamente constantes.
• Latˆencia: Este requisito depende da aplica¸c˜ao, e pode ser trocada para aumento de robustez (reliability) e poupan¸ca de energia. Nas WSN os n´os podem estar em locais de dif´ıcil acesso, o que leva a que neste caso, o tempo de vida seja mais importante do que a latˆencia. Isto em princ´ıpio n˜ao acontece nas BAN, pois ´e mais f´acil substituir as baterias (caso n˜ao se encontrem dentro do corpo humano).
• Mobilidade: Este ´e talvez o aspecto mais importante e mais diferente entre as BAN e as WSN. Nas BAN, o utilizador pode mover-se, e os n´os colocados em certas partes do corpo, movem-se tamb´em com o movimento dessa parte do corpo. Nas WSN, isto n˜ao acontece, pois os n´os s˜ao tipicamente estacion´arios. Em rela¸c˜ao `as BAN, este factor pode causar problemas, pois como tˆem que lidar com ambientes dinˆamicos podem ocorrer problemas de comunica¸c˜ao entre os n´os. De modo a ultrapassar problemas, como interferˆencia e quebras de liga¸c˜ao, a potˆencia de transmiss˜ao pode ser aumentada. O contra-p´e desta medida, ´e o facto de o sinal poder ser recebido a uma maior distˆancia, o que pode levar a problemas/preocupa¸c˜ao de privacidade. Outro problema do aumento de potˆencia de transmiss˜ao, ´e obviamente a redu¸c˜ao do tempo de vida das baterias. • Seguran¸ca: Enquanto que nas WSN o n´ıvel de seguran¸ca ´e relativamente reduzido, nas
BAN, o n´ıvel de seguran¸ca deve ser elevado para proteger as informa¸c˜oes do pacien- tes/indiv´ıduo.
• Energia: Nas BAN, devido a restri¸c˜oes de espa¸co, os n´os necessitam de ter tamanho mais reduzido comparativamente ao caso das WSN, pelo que ´e mais f´acil alimentar os n´os nas WSN do que nas BAN.
A figura 2.7 apresenta as caracter´ısticas ideais das BAN em compara¸c˜ao com as WSN e WLAN.