Energy Harvesting-Aware Resource Management for Wireless Body Area Networks

The rationale for a telemedicine system is the use of Information and Communications Technology (ICT) for the remote transmission of biomedical data and the remote control of biomedical equipment, in order to improve the provided health service. The integration of Wireless Body Area Networks (WBANs) in telemedicine systems does not only achieve significant improvements in the patient’s healthcare, but also enhances their quality of life. However, the potential benefits provided by these networks are limited by the energy constraints imposed when traditional batteries are used as the power source, since the replacement or recharging of these is not always an easy task. To that end, harvesting energy from the human environment can be a promising solution to the aforementioned problems. In this context, it is important to design efficient energy-aware medium access and resource management schemes to exploit the benefits of energy harvesting while guaranteeing the Quality of Service (QoS) in the network. This dissertation provides a contribution to the design and evaluation of novel solutions focused on energy-aware resource management for WBANs powered by human energy harvesting. In particular, our proposals are oriented to solve the problems caused by the differences in energy levels experienced by nodes due to their power supply by energy harvesting. The main thesis contributions are divided into two parts. The first part presents HEH-BMAC, an energy-aware hybrid-polling Medium Access Control (MAC) protocol for WBANs powered by human energy harvesting. HEH-BMAC is designed to provide medium access taking into account the capabilities of each node with respect to their energy profile. HEH-BMAC combines two types of access mechanisms, i.e., reserved polling access and probabilistic random access, in order to adapt the network operation to the types of human energy harvesting sources. The HEH-BMAC performance in terms of normalized throughput and energy efficiency is assessed by means of extensive computer-based simulations, revealing a good adaptation to potential changes in the energy harvesting rate, packet inter-arrival time and network size. HEH-BMAC has been proven to outperform IEEE 802.15.6 Standard for WBANs in terms of normalized throughput and energy efficiency, as the number of nodes increases under the same conditions of energy harvesting. The second part of the thesis is dedicated to the design and evaluation of PEH-QoS, a Power-QoS control scheme for body nodes powered by energy harvesting. PEH-QoS is designed to use efficiently the harvested energy and ensure that all transmitted packets are useful in a medical context, hence substantially improving the offered QoS. The obtained results show that this scheme efficiently manages the data queue, thus improving the node operation and optimizing the data transmission, and also provides QoS, while maintaining the node in energy neutral operation state.

1. Introducción La razón de ser de un sistema de telemedicina es utilizar las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) para la trasmisión remota de datos médicos, y el control de dispositivos biomédicos a distancia, con el objetivo de mejorar el servicio de salud prestado. Con la integración de las redes inalámbricas de área corporal (WBANs, por sus siglas en ingles) en los sistemas de telemedicina, no solamente se podría mejorar significativamente el cuidado de la salud del paciente, sino que también se conseguiría mejorar su calidad de vida. Las WBANs están compuestas por dispositivos médicos destinados a aplicaciones clínicas. Dichos dispositivos son llamados nodos corporales. En la WBAN cada nodo desempeña una importante función relacionada con el tratamiento, diagnostico o monitoreo de la salud del paciente. Los nodos corporales deben ser capaces de realizar sus tareas eficientemente e interaccionar con el cuerpo humano de una forma cómoda e indetectable para el paciente. Para tal fin, dichos nodos deben ser pequeños y ligeros para poder colocarlos dentro o sobre el cuerpo humano. Dichas características están íntimamente relacionadas con el tamaño de la batería y el consumo energético del nodo. La energía de la batería no solamente restringe al nodo en peso y tamaño sino que también lo hace en su periodo de vida, puesto que se trata de una fuente finita. Los problemas impuestos por la dependencia energética a este tipo de fuente de poder limitan los beneficios potenciales de las WBANs. Además, cambiar o recargar la batería no siempre es factible, ya que esto podría poner en riesgo la vida del paciente o causar daños al mismo nodo. La más innovadora y prometedora técnica para solucionar los problemas relacionados a la energía de las baterías es la captación de energía del entorno humano. Usando captadores de energía, un BN podría aprovechar fenómenos físicos o químicos (ejemplo: calor, luz, movimiento, vibraciones, etc.) en el cuerpo humano para convertirlos en energía eléctrica. El proceso de captación de energía entrega pequeñas cantidades de energía y es dependiente de la clase, disponibilidad de la fuente y la localización del nodo en el cuerpo humano. La idea de una WBAN que trabaje en sinergia con el cuerpo humano es sumamente alentadora. Sin embargo, ciertas consideraciones deben ser tomadas en cuenta para mantener un nivel aceptable de calidad de servicio (QoS, por sus siglas en ingles) en una WBAN alimentada por captación de energía. Los requerimientos de QoS son más exigentes en las WBANs en comparación a las tradicionales redes de sensores inalámbricos (WSNs, por sus siglas en ingles). En WBAN, la QoS es una demanda fundamental por lo tanto la maximización del rendimiento, la reducción del retardo y la extensión de la vida de la red son algunos de los principales retos a alcanzar. En redes alimentadas por baterías, el principal propósito del control del acceso al medio (MAC) es el de prolongar la vida de la red. Por otra parte, en redes alimentadas por captación de energía el principal objetivo es maximizar el rendimiento utilizando la energía disponible. Mediante la captación de energía, se podría extender la vida de la red, pero otras métricas de QoS podrían ser degradadas (ejemplo: rendimiento, retardo, pérdida de paquetes de datos, etc.). Esta tesis ofrece una contribución al diseño y evaluación de novedosas soluciones enfocadas a la gestión de recursos, para WBANs alimentadas por captación de energía (HEH-WBANs, por sus siglas en ingles), de una forma energéticamente consciente. En particular, nuestras propuestas están orientadas a resolver los problemas causados por las diferencias en los niveles de energía que experimentan los nodos debido a sus fuentes de captación. Las principales contribuciones de esta tesis se dividen en dos partes. La primera parte presenta HEH-BMAC, un protocolo híbrido, energéticamente consciente, para el control del acceso al medio de los nodos en este tipo de WBANs. HEH-BMAC está diseñada para proporcionar acceso al medio teniendo en cuenta las capacidades de cada nodo con respecto a sus características energéticas. HEH-BMAC combina de forma dinámica dos tipos de mecanismos de acceso, acceso reservado (basado en identificación de usuario) y acceso aleatorio (basado en probabilidad de contención), con el fin de adaptar el funcionamiento de la red a los tipos de fuentes de captación de los nodos. El funcionamiento del protocolo HEH-BMAC, es evaluado a través de extensas simulaciones por ordenador utilizando las métricas de rendimiento normalizado y eficiencia energética. Los resultados obtenidos en estas pruebas, muestran que nuestro protocolo tiene una buena adaptación a cambios potenciales en las velocidades de captación de energía, frecuencia de arribo de los paquetes de datos, y en el tamaño de la red. La segunda parte de la tesis está dedicada al diseño y evaluación de PEH-QoS, un esquema de control de potencia y QoS para nodos corporales que estén alimentados por captación de energía. PEH-QoS está diseñado para el uso eficiente de la energía captada y asegurar que todos los paquetes de datos trasmitidos sean útiles en el contexto médico, por lo tanto mejorando sustancialmente la QoS ofertada. Los resultados obtenidos muestran que este esquema gestiona eficientemente la cola de datos, mejora la operación del nodo, optimiza la trasmisión de datos, y provee QoS, mientras mantienen al nodo en estado de operación neutral. 2. Objetivos La planificación, el desarrollo, y la realización de esta tesis doctoral persiguen el siguiente objetivo: Diseño y desarrollo de soluciones energéticamente eficientes y conscientes, destinadas a la gestión de recursos que garanticen los requisitos de calidad de servicio de las aplicaciones médicas en WBANs alimentadas por captación de energía en el entorno humano. Al lograr el objetivo antes mencionado, esta tesis constituirá una contribución al avance de la WBANs alimentadas por captación de energía en el entorno humano en términos de una gestión eficiente de su energía enfocada en mejor la calidad de servicio. Para afrontar con éxito el objetivo general, los siguientes objetivos específicos tuvieron que ser también cumplidos: 1. Proporcionar un una amplia revisión del estado del arte en las áreas de protocolos MAC para WBANs y en captación de la energía en el entorno humano. 2. Proponer y evaluar un protocolo MAC consciente de la energía, capaz de adaptar el funcionamiento de la red a la naturaleza aleatoria y variable en el tiempo de las fuentes de captación de energía en el entorno humano. 3. Diseñar y desarrollar un esquema de control que permita el uso óptimo de la escasa energía recogida por un nodo corporal alimentado por captación de energía en el cuerpo humano, con el fin de mejorar la calidad de servicio prestados. 4. Evaluar los resultados de nuestras propuestas y compararlos con sistemas estándares de referencia utilizando diferentes métricas de calidad de servicio. 3. Resultados a) HEH-BMAC: HYBRID POLLING MAC PROTOCOL FOR WIRELESS BODY NETWORKS OPERATED BY HUMAN ENERGY HARVESTING. Tomando en cuenta los últimos avances en las áreas de WBANs y en captación de energía, propusimos un protocolo MAC hibrido al cual llamamos HEH-BMAC. HEH-BMAC es un protocolo de acceso al medio, el primero dentro de nuestro conocimiento, diseñado para WBANs alimentadas por captación de energía del entorno humano. La principal característica de HEH-BMAC es que es un protocolo energéticamente consciente en condiciones de captación de energía, ya que el funcionamiento de cada nodo es adaptado dinámicamente dependiendo de su nivel de energía. En particular nuestro protocolo tiene las siguientes características: i) Este ofrece dos niveles de prioridades a través de la combinación de dos mecanismos diferentes de acceso al medio. El primer mecanismo de acceso es el de identificación de usuario (ID-POLLING) para acceso reservado, dicho mecanismo está pensado para nodos con captación de energía predecible (por ejemplo: Generadores piezoeléctricos que aprovechan los latidos del corazón o de los movimientos respiratorios) o nodos con alta prioridad (por ejemplo: Electrocardiógrafo, electroencefalógrafo, etc.). El segundo método de acceso es por probabilidad de contención (PC-ACCESS) para acceso aleatorio, este mecanismo está destinado para nodos alimentados con fuentes de captación de energía no predecible (por ejemplo: generadores termoeléctricos sobre la piel, generadores piezoeléctricos que aprovechan la locomoción humana, etc.) o nodos con prioridad normal (por ejemplo: termómetros, flujo sanguíneo, etc.). ii) Los periodos de tiempo para los accesos al medio, ya sea ID-POLLING o PC-ACCESS, son ajustados dinámicamente de acuerdo a los niveles energéticos de los nodos. Dicha asignación es realizada a través de un algoritmo ejecutado en el nodo corporal coordinador de la red (BNC). El BNC ejecuta el algoritmo DYNAMIC SCHEDULE ALGORITHM, pudiendo de esta forma manejar la comunicación de todos los nodos que forman la WBAN. Dicho algoritmo contrala de manera conjunta ambos tipos de acceso a través de una lista dinámica para los nodos en ID-POLLING y a través de un algoritmo de actualización del valor de umbral para la contención en los nodos en PC-Access. Los nodos en ID-POLLING acceden al medio de forma expedita y los nodos en PC-Access tienen un acceso probabilístico. iii) Al ejecutarse el acceso al medio de forma dinámica, HEH-BMAC permite la adición y remoción de nodos en la WBAN, puesto que la actualización de la lista dinámica y del algoritmo de actualización del valor umbral de contención son ajustados dependiendo de la respuesta de la cantidad de nodos que están funcionando en la red. RESULTADOS 1: Primeramente brindamos un comprensivo estado del arte, además expusimos nuestros criterios de diseño y explicamos detalladamente cómo funciona nuestra propuesta. Las pruebas realizadas a nuestro protocolo MAC fueron simuladas (a través de un simulador que desarrollamos en MATLAB) con diferentes velocidades de captación de energía. Las métricas utilizadas para la evaluación de nuestra propuesta fueron eficiencia energética y rendimiento normalizado. Como resultado de este estudio pudimos comprobar la buena adaptación que posee HEH-BMAC a diferentes condiciones energéticas, tiempos de arribo de datos y flexibilidad al agregar o remover nodos en la red. Las pruebas las realizamos con cuatro diferentes velocidades de trasmisión de datos. Como resultado de esta investigación, realizamos el trabajo: E. Ibarra, A. Antonopoulos, E. Kartsakli and C. Verikoukis., “HEH-BMAC: Hybrid Polling MAC Protocol for Wireless Body Area Networks Operated by Human Energy Harvesting”. Journal of Telecommunication Systems, Modeling, Analysis, Design and Management. Special Issue on: Research Advances in Energy Efficient MAC protocols for WBANs. (Accepted, December 2012). El siguiente paso en nuestro proceso investigativo fue comparar el desempeño de nuestro protocolo HEH-BMAC con el recién publicado (29 de febrero de 2012) protocolo IEEE 802.15.6 es el protocolo de red para redes de sensores corporales del IEEE diseñado para comunicación dentro y fuera del cuerpo humano. Tomando en cuenta que el protocolo de la IEEE 802.15.6. no fue diseñado para trabajar en redes WBANs alimentadas por captación de energía, escogimos un escenario en que ambos protocolos tuvieran suficiente energía para trabajar correctamente. Comparamos dos configuraciones del protocolo acceso CSMA/CA del IEEE con nuestra propuesta HEH-BMAC. La comparación entre ambos protocolos se realizó a través de las métricas rendimiento normalizado y eficiencia energética. RESULTADOS 2: Como resultado de este trabajo comprobamos que nuestro protocolo HEH-BMAC tiene mejor rendimiento normalizado y comportamiento que el del IEEE 802.15.6 en condiciones de captación de energía. Además, nuestro protocolo tiene un nivel alto de eficiencia energética (ver figura 1) cuando se aumentan el número de nodos a la WBANs, en comparación al protocolo de la IEEE 802.15.6. Como resultado de esta investigación, realizamos el trabajo: E. Ibarra, A. Antonopoulos, E. Kartsakli and C. Verikoukis, “Energy Harvesting Aware Hybrid MAC Protocol for WBANs”, IEEE HEALTHCOM 2013, October 2013, Lisbon, Portugal. b) JOINT POWER-QoS CONTROL SCHEME FOR ENERGY HARVESTING BODY SENSOR NODES En este trabajo desarrollamos un esquema de control para los BNs alimentados por captación de energía con el fin de mejorar la calidad de servicio (QoS) prestada por cada nodo. Dicho esquema lo hemos llamado esquema de control PEH-QoS. PEH-QoS está formado por tres sub-módulos que interaccionan entre sí con el objetivo de conseguir el mejor QoS posible. Los sub-módulos que componen dicho esquema son: i. PHAM: POWER-EH AWARE MANAGEMENT SUB-MODULE: El objetivo del mismo es realizar un uso óptimo de la escasa energía recabada. Solo realizando las funciones de detección o de trasmisión cuando se tenga la cantidad suficiente de energía para completar los procesos. Controlando el consumo energético del BN para mantenerlo en un estado de Operación Energéticamente Neutral (Estado ENO). El estado ENO, es definido como una condición en que el nodo gasta menos o igual cantidad de energía que la recolectada del ambiente, manteniendo un rendimiento deseado. ii. DQAC: DATA QUEUE AWARE CONTROL SUB-MODULE: El objetivo de este sub-modulo es de estabilizar la cola de datos en condiciones de captación de energía. El principal función de DQAC es evitar la saturación de la cola de datos y mantener la validez clínica de la información almacenada por medio de la eliminación de paquetes que han perdido relevancia y actualizando la cola de datos. iii. PASS: PACKET AGGREGATOR/SCHEDULING SYSTEM SUB-MODULE: La función de este sub-modulo es la de optimizar cada trasmisión realizada, enviando en cada proceso de comunicación la mayor cantidad de paquetes posibles. Esto se realiza a través de un sistema de agregación de paquetes dependiendo de la energía disponible (PHAM) y del estado de la cola de datos (DQAC). RESULTADOS 3: Comparamos un BN aplicándole nuestra propuesta, con el mismo nodo sin PEH-QoS. Ambos fueron comparados en las mismas condiciones de captación de energía. Como resultado de dicho estudio obtuvimos que nuestro sistema supero sustancialmente al nodo de referencia en cuanto a rendimiento normalizado, eficiencia energética, perdida de paquetes de datos, y retardo promedio end-to-end. Además, gracias a PEH-QoS alcanzo niveles altos de eficiencia en la detección de eventos y en la eficiencia de almacenaje de datos. Como resultado de esta investigación, realizamos el trabajo: E. Ibarra, A. Antonopoulos, E. Kartsakli and C. Verikoukis, “Joint Power-QoS Control Scheme for Energy Harvesting Body Sensor Nodes”, IEEE ICC 2014, June 2014, Sydney, Australia. 4. Discusiones y Conclusiones HEH-BMAC asigna períodos de tiempo, tanto para ID-POLLING y el PC- ACCESS a través del DYNAMIC SCHEDULE ALGORITHM. La distribución del tiempo se llevan a cabo de una manera dinámica, logrando el uso óptimo del medio. Todos los nodos del WBAN son energéticamente conscientes, es decir, tratan de acceder al medio sólo si tienen los paquetes de datos a transmitir y si tienen suficiente energía para terminar con éxito una secuencia de transmisión. La combinación de estos dos modos de acceso y el DYNAMIC SCHEDULE ALGORITHM, no sólo mejora el rendimiento normalizado y la eficiencia de energía del sistema, sino que también permite la adaptación de la red a los cambios en el número de nodos, el tiempo entre llegadas de datos y la tasa en que se capta energía del ambiente. Por último, para completar nuestro estudio de investigación acerca de HEH-BMAC, se comparó el rendimiento normalizado y la eficiencia energética de nuestro protocolo con el protocolo estándar IEEE 802.15.6. En comparación con el estándar IEEE 802.15.6, HEH-BMAC logra una ganancia de hasta un 20% en la eficiencia de energía y hasta un 56% en el rendimiento normalizado. Además, los resultados mostraron que nuestro protocolo puede adaptarse mejor a un aumento potencial en el número de nodos en la red, en comparación con el estándar en las mismas condiciones de captación de energía. El proceso de captación de energía introduce variaciones en los niveles de energía de los BNs (debido principalmente a las características y la disponibilidad de las fuentes que se captarán) que afectan directamente a su funcionamiento, reduciendo su rendimiento y la eficiencia de las tareas realizadas. Pequeñas cantidades de energía que pueden ser captadas del cuerpo humano deben utilizarse de una manera óptima y eficiente para evitar que se desperdicie. PEH-QoS aborda de manera eficiente estos problemas con el fin de mejorar la calidad de servicio proporcionadas. Los resultados obtenidos mostraron que cuando se aplica PEH-QoS, la eficiencia de energía del nodo se incrementa de 0,78 MB / J hasta 39,6 MB / J (≈ 50 veces), mientras la pérdida de paquetes se reduce hasta 0,39% y el promedio de retardo hasta 130 ms. Nuestro enfoque mejora sustancialmente la calidad de servicio prestado, mientras que también logra una mayor eficiencia de detección y de almacenamiento de datos, lo que demuestra que las técnicas basadas en la conciencia de la energía son excelentes herramientas para mejorar el rendimiento de la BN. En conclusión, los dos esquemas propuestos, HEH-BMAC y PEH QoS, han introducido importantes mejoras en el rendimiento del sistema, tanto a nivel de las HEH-WBANs y como de los BNs.