Modeling and experimental performance analysis of ZigBee-IEEE 802.15.4 for wireless body area networks

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gomes, Diogo Miguel Ferreira Taveira
Data de Publicação: 2012
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/1822/25730
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de Comunicações
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spelling Modeling and experimental performance analysis of ZigBee-IEEE 802.15.4 for wireless body area networks681.5:612612:681.5Dissertação de mestrado integrado em Engenharia de ComunicaçõesThe emerging field of wireless body area networks (WBAN) has the potential to play an important role in everyday life, and there are many industries such as health, sports and entertainment that can take advantage of these networks. The wireless monitoring of users’ physical state, in indoor or outdoor environments, can bring benefits in several application scenarios; for example, it can increase patients’ general well-being and reduce caregivers’ workload by allowing continuous monitoring. This dissertation identifies and analyzes key performance aspects of using the ZigBee and IEEE 802.15.4 protocols in WBAN applications. The main reason behind this work is because these protocols were designed primarily for wireless sensor networks (WSNs) but are also being used in WBAN applications, particularly in the healthcare area. The differences between WSN and WBANs are explained and are used to discuss the usage of the ZigBee and the IEEE 802.15.4 standards in WBANs. The analysis performed in this work consists mainly in the execution of experimental tests with non-beacon enabled ZigBee/IEEE 802.15.4 networks, using widespread hardware and software platforms from Texas Instruments, regarding relevant quality of service (QoS) metrics (maximum throughput, delivery ratio and network delay), as well as the effects of multiple constraints, such as hidden nodes, clock drift and body interference in the network performance. A clock drift model was proposed to estimate when two nodes will interfere with each other. This model was conceived due to the lack of support from the ZigBee to overcome this issue. A solution to overcome the clock drift and the hidden node problems was then designed. A parametric software delay model of ZigBee network devices was also defined and introduced into a simulator so that more accurate simulation results could be obtained. The proposed models were deemed valid since they were thoroughly tested and the predicted results were obtained.As redes de sensores sem fios de área corporal (WBAN) têm o potencial de desempenhar um papel importante no dia-a-dia. Hoje em dia há muitas indústrias, tais como na área da saúde, do desporto e do entretenimento, que podem tirar proveito dessas redes. A monitorização sem fios de sinais fisiológicos, tanto em ambientes fechados como ao ar livre, pode trazer benefícios em vários cenários de aplicação, tais como, aumentar o bem-estar de pacientes que são monitorizados e reduzir a carga de trabalho de médicos, permitindo a monitorização contínua. Esta dissertação identifica e analisa aspetos chave do desempenho das redes ZigBee e IEEE 802.15.4, quando usadas em aplicações típicas das WBAN. A principal motivação para a realização deste trabalho reside no facto de que, apesar de terem sido projetados principalmente para redes de sensores sem fio (WSN), estes protocolos estão também a ser utilizados em aplicações características das WBAN, particularmente na área da saúde. As diferenças entre as WSN e as WBAN são destacadas e usadas para discutir o uso dos protocolos ZigBee e IEEE 802.15.4 nas WBAN. A análise realizada neste trabalho consiste, principalmente, na execução de testes experimentais de redes ZigBee/IEEE 802.15.4 a funcionar no modo non-beacon enabled, usando as plataformas de hardware e software da Texas Instruments. A análise leva em consideração métricas relevantes (o máximo goodput, a taxa de entrega e o atraso da rede) de qualidade de serviço (QoS) e os efeitos de várias condicionantes, como os nós escondidos, o clock drift e a interferência do corpo humano no desempenho da rede. Um modelo para o clock drift foi proposto para estimar quando dois dispositivos irão interferir um com o outro devido a este fenómeno. Este modelo foi concebido devido à falta de capacidade para o ZigBee superar este problema. Posteriormente foi concebida uma solução para ultrapassar os problemas associados ao clock drift e aos nós escondidos. Um modelo paramétrico de atrasos de software em dispositivos de redes ZigBee foi também definido e introduzido num simulador, de modo a que resultados de simulações mais precisos possam ser obtidos. Os modelos propostos foram considerados válidos dado que foram testados e os resultados previstos foram obtidos.Afonso, José A.Universidade do MinhoGomes, Diogo Miguel Ferreira Taveira20122012-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/25730enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T11:55:36Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/25730Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T18:45:08.320793Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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