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国际期刊的创新在计算机和通信工程的研究

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医疗保健系统:无线传感器网络节能上使用最新进展基于簇的路由协议

Dr.Kathir.Viswalingam1,G.Ayyappan2
  1. Bharath大学院长(R&D)印度钦奈
  2. Bharath大学助理教授,信息技术部,钦奈,印度
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国际期刊的创新在计算机和通信工程的研究

文摘

感觉数据通过访问基础设施网络如图所示在许多医院和医疗中心正在探索的应用无线传感器网络(WSN)技术广泛的医学应用,包括院前和院内急救护理,对灾难的应对,和中风病人康复。当前的医疗保健无线传感器网络(HCWSN)研究趋势关注病人,可靠的通信,病人流动,和节能路由等。研究关注不同的基于集群路由协议用于提高能源效率为医疗应用程序的基础,并指出重要的问题在基于集群路由(CBR)协议,指导改善他们为了扩大应用范围。今天,网络越来越受欢迎,许多路由协议提出了在文献中重点是分层路由。本文调查了网络用于节能的CBR技术医疗保健通讯系统。最近的进步和先前的研究的局限性被高亮显示。路由协议的分类是根据各自的能源效率。我们打算让研究人员快速识别领域,需要更多的关注和提出一个新颖的方法改善现有的协议的有效性。

关键字
路由协议、医疗、节点、传感器节点的无线传感器网络。

介绍
最近的技术进步使传感器节点成本效益的发展。尽管他们的规模相对较小,他们非常强大在传感、处理和通信能力。带来好处的协作使用这样的传感器节点,无线互联,找到一个永远越来越多的应用。网络在医疗和传感器网络近年来吸引了大量的研究工作。一群空间分布的传感器节点,相互连接,而无需使用任何连接,构成无线传感器网络(WSN) [1, 2]。传感器网络是由大量传感器节点组成的网络,传感、无线通信和计算能力。这些传感器节点分布在一个无人值守的环境中(例如遥感领域)感知物理世界。的感觉到一些水槽节点收集的数据可以获得像互联网这样的基础设施网络。最后,最终用户可以远程获取由于最近和持续发展的无线通信、嵌入式微型传感(MEMS)技术,传感器网络已经非常好的在过去的几年中[3,4]。这个网络,包含成百上千的传感器节点,因此,吸引关注由于其无处不在支持范围广泛的应用程序的能力。 The application of WSNs in health is referred to as healthcare wireless sensor networks (HCWSNs) [5]. The difference between HCWSNs and other WSN technology application is the criticality of reliable data transmissions which have a number of characteristics that differentiate them from standard WSNs and Wireless Local Area Network (WLAN), therefore, reliability is very important. Since replacing batteries may be difficult or impossible in HCWSNs applications, and the lifetime of a sensor node depends to a large extent on the battery life time as well as the network coverage/connectivity. Therefore, it is important to adapt energy efficient strategies for these networks. The main challenge in WSN is to minimize energy consumption in each sensor node. Researchers mainly focus on the routing protocol that would consume less power, hence prolong network’s life span. The sensor nodes are deployed randomly in the sensing field; they are expected to perform their function without any maintenance, human attendance or battery replacement, which limits the energy available on the sensor nodes. Current routing protocols are designed for traditional networks, and they cannot be used in a Healthcare Wireless Sensor Networks (HCWSN) because the networks are application specific, high degree of redundancy in the sensed data, data collection in the sensor network is based on location, and sensor nodes are not mobile. Not all the protocols are suitable in all situations; the performance differs from one WSNs application to another. Therefore, it is critical to asses routing protocols for health care monitoring applications. This paper has critically examined cluster-based routing protocols which are used in increasing energy efficiency of WSN for healthcare applications. Also, the paper points our important issues in cluster-based routing protocols

二世。背景
技术一直呈现方式提高生活质量的社会。这是由于持续实现摩尔定律,思想或方法在传感器技术领域,允许集成的小,低电力,和可穿戴智能医疗传感器设备,例如e脉搏血氧仪[5],心电检测仪[6],并加速计[7]到常用的无线传感器设备。这些装备传感器无线设备形成网络,目前提供了一个潜在的解决效率低下,瘟疫医疗行业。近年来,WSNbased卫生保健系统已经部署的应用程序,如家庭监测慢性和老年病人[8],实时连续的病人在医院监测[9],自动化生命迹象分析,减少医疗事故的发生由于人为错误[10],[11]和紧急情况。对于大多数应用程序,需要设计、实现和部署了网络,下面的挑战固有的几乎所有的WSN应用程序必须克服:计算能力低,可怜的通信带宽,拥挤的无线介质和有限的能源预算。然而,卫生保健相关申请疗养院,紧急情况,或医院需要更多的具体要求进行网络整合成功。这是因为世界人口老龄化的增加以前所未有的速度在发达国家和发展中国家。根据2008年老化的世界:报告[12],2008年,全球老龄化人数(即65岁及以上)估计为5.06亿,到2040年,这一数字将增加至13亿人。因此,在短短三十年,老年人口的比例将增长两倍,从7%到14%的世界人口总量[12]。尽管老龄化意味着,人类长寿的成功故事,稳定,持续增长的老年人口也带来了健康挑战,因此,老龄化迫切要求独立的生活和良好的护理质量,而不去打扰他们的安慰,同时减少维护的成本。 In this context, wireless sensor technology could provide highly useful tools for elderly people health monitoring and patients who need continuous monitoring. A number of hospitals and medical centres are exploring applications of WSN technology to a range of medical applications, including pre-hospital and in-hospital emergency care, disaster response, and stroke patient rehabilitations. WSNs may be embedded into a hospital building to track and monitor patients and all medical resources. The WSNs have the potential to influence the delivery and study of resuscitative care by allowing vital signs to be collected and integrated automatically into the patient care record that may be used for real-time triage, correlation with hospital records, and long-term observations [9,14]. The WSNs permit home monitoring for chronic and elderly patients, facilitating long-term care and trend analysis; this in turn can sometimes reduce the length of hospital delays. WSNs also permit collection of long-term medical information that populates databases of clinical data; this enables longitudinal studies across populations and allows physicians to study the effects of medical intervention programs [15] shows the HCWSNs applications. Healthcare Application using WSN Wireless Medical Sensor Networks (WMSNs) carry the promise of quality of care across wide variety of healthcare applications (e.g., ambulatory monitoring, vital sign monitoring in hospitals, elderly peoples’ at home care monitoring, monitoring in mass-casualty disasters, clinical monitoring, etc.). In addition, other applications that also benefit from WMSNs include sportspersonels health status monitoring [10], and patients’ self-care (i.e., a Body Area Network BAN on a diabetic patient could be helpful to auto inject insulin, though a pump, as soon as their insulin level declines). So far several research groups and projects have started to develop health monitoring using wireless sensor networks, for example, CodeBlue (CodeBlue is a prototype HCWSNs that defines an architecture for hardware and a framework for software) [6,7,9], MASN (Medical Ad hoc Sensor Network) [7,15], MobiHealth (Mobile Healthcare System) [6,10,12], Madison (Medical Ad hoc Sensor Network) [6,15]. Thus, healthcare systems are the most beneficial applications using wireless medical sensor technology that can take care of the patient within homes, hospitals, clinics, disaster sites, and the open environment.

三世。医疗无线传感器网络的应用场景
此外,环境传感器需要当病人通常是独自一人在家里。环境传感器被放置在房间的角落里,正如我们所见,所有正在进行的医疗监测项目启用自动病人监测和提供优质的医疗没有令人不安的病人舒适。所有的项目集中在可靠性、成本效率和功率消耗的原型。值得承担的规模部署使用WMSNs医疗应用程序。在这方面,我们已经考虑了三个无线医疗场景,即一个养老院,家庭监控、和住院监测、无线医疗应用程序使用医疗传感器(即。病人适当性)和环境传感器(ES),移动设备(e。g PDA、笔记本电脑和iPhone),特别是无线通信(e。g, IEEE 802.11,蓝牙等)内部IEEE 802.15.4,提供服务协议。此外,后端服务器用于生理保健信息(φ)存储,和φ的离线分析。根据养老院场景医疗传感器放置在病人的身体和个人的生理数据和传输及时到PDA,由一名护士。护士可以查询病人的传感器和分析病人的实时数据条件。之后,护士可以将患者数据发送到中心服务器通过互联网或无线介质。许多ES是部署在养老院,可以形成一个有线或无线网络,感觉环境参数(例如,病房温度、湿度等)和一个护士或远程传输数据中心。 In addition, the environmental sensors may forward an alarm to the remote server in an emergency situation (if a severe condition is detected), should one occur. In the home scenario medical sensors are planted on a patient’s body, and capture the health data from an individual and transmit it in a timely fashion to a PDA held collecting the environmental conditions (e.g., room temperature, humidity, etc.), and patient movement data. Later they automatically send collected environmental and patient abnormal conditions to the PDA, which is held by either a nurse or a responsible family member. The home local station can directly communicate with environmental sensors using Zigbee modules. To analyze the patient physiological data an application program will be implemented in the backend network. In the In-hospital scenario the same deployment and sensing scenario (e.g nursing home and homecare scenarios) is now applicable to the hospital environment, where groups of patients are temporarily monitored using a WMSN by nurses or physicians using their PDAs;

第四,医疗无线传感器网络
HCWSN的三个主要的需求,架构必须满足包括:
我。可靠性:传输准确、多样的数据的能力,同时满足严格的服务质量(QoS)需求,高分组的交货率(PDR)和较低的端到端延迟在医疗设置是至关重要的
二世。能源效率:网络医疗保健应用程序的一个主要缺点是,许多传感器不需要外部力量(即。他们使用电池供电),所以延长的寿命是至关重要的这些设备通过最小化能量消耗。
三世。路由:路由的数据可以直接影响可靠性、容错、HCWSN和可伸缩性,并为通信所需的能源系统

医疗监控系统的设计考虑
无线传感器网络在医学上的应用旨在改善现有的医疗和监控服务,特别是对老年人、儿童和慢性疾病如前所解释道。与这些系统有几个好处。首先,远程监控能力是普遍的卫生保健系统的主要好处。与远程监控、紧急情况的识别风险的病人将变得更容易和不同程度的认知和身体残疾的人将能够更独立和简单的生活。小也可以照顾孩子和婴儿在一个更安全的方法,而他们的父母不在家。特殊护理人员的可靠性将会减少
在医疗应用程序中,一个实时系统指的是软实时系统,允许一些延迟。确定紧急情况下如心脏病或突然落在几秒钟甚至分钟就足够了拯救生命考虑识别条件。因此,提供实时识别和行动在普及卫生保健系统是主要好处之一。在此基础上观察,在一个典型的场景中,有四个不同类别的演员以外的其他用户,系统管理员和开发人员等。
孩子们:这组由年轻学生没有能力照顾自己像婴儿一样,婴儿、幼儿或那些更长大,但仍需要不断监控。
老年人和慢性病患者:这个群体包括长期患病的人认知困难或其他医学疾病相关的心脏,呼吸,等和老年人也可能有这些症状,此外,谁更容易突然下降。
护理人员:这组由父母和孩子的保姆的小组和照顾者和其他保健网络的老年人和慢性病患者。
医疗保健专业人士:这些专业护理人喜欢医生和其他医务人员负责持续的健康状况监测老年人和慢性病患者的人。此外,他们有能力给直接的反应在紧急情况下的情况。
这些团体的演员经常与无线传感器网络交互医疗系统通过使用不同的子系统。五个子系统在这样的场景已经被识别,包括:
(i)的身体区域网络子系统,(2)个人区域网络子系统,(3)网关的广域网络,(iv)广泛的区域网络,(v)终端用户的医疗监视应用程序。i和ii的设计考虑能耗和能源效率,而iii, iv,关心的是路由协议的可靠性和可伸缩性。

诉HCWSN路由协议的设计问题
网络最初主要是出于军事应用。随后,民用无线传感器网络被认为是应用领域,如环境与物种监测、生产、医疗、智能家居、轮等。这些操作可能由异构和移动传感器节点,网络拓扑结构可以像一个明星一样简单拓扑;网络的规模和密度取决于应用程序。为了满足这种一般的多元化趋势,以下重要的传感器网络设计问题[4]必须被考虑。
能源:传感器节点能量有限。执行任务的节点可能排出而计算和传输数据在无线环境中。一个传感器节点的寿命可能取决于其电池寿命。根据能源,应配置路由过程和路由算法需要高度灵活。
容错:一些传感器节点可能失败或被阻塞由于缺乏力量,有物理伤害或环境干扰。传感器节点的故障不会影响整个传感器网络的任务。这是可靠性和容错问题。容错是能够维持传感器网络功能没有任何中断由于传感器节点故障。
可伸缩性:数量的传感器节点部署在检测区域的顺序可能是数百,数千甚至更多和路由方案必须足够可伸缩的响应事件。
生产成本:由于传感器网络由大量传感器节点组成,单个节点的成本是非常重要的来证明网络的总成本,因此必须保持每个传感器节点的成本低。
操作环境:我们可以建立一个传感器网络内部的一个给定的医疗环境,在紧急情况下服务领域,在家里或大型建筑,附加到病人,在快速移动的救护车等
能源消耗:自无线广播的传动功率正比于距离的平方,甚至高阶存在障碍,种路由将消耗更少的能量比直接沟通。
然而,种路由介绍重要的拓扑管理开销和介质访问控制。直接路由将表现良好足够如果所有节点是非常接近下沉。
数据交付模式:数据交付模型确定时,节点采集的数据必须被交付。根据传感器网络的应用,数据交付模型到水槽可以是连续的,事件驱动,查询驱动和混合
在持续交付模型中,每个传感器定期发送数据。在事件驱动的模型中,数据的传输事件发生时触发。在查询驱动的模型中,数据的传输触发查询时产生的下沉。一些网络应用连续的混合模型使用一个组合,事件驱动和查询驱动的数据交付。
数据聚合/融合:由于传感器节点可能会产生大量的冗余数据,类似的包可以聚合来自多个节点传输的数量将会减少。数据聚合的组合来自不同数据源的数据通过使用等功能抑制(消除重复)、最小、最大和平均。计算将比交流更少的能量消耗,可以大量节省能源通过数据聚合。这种技术已经被用于实现能源效率和流量优化的路由协议
服务质量:服务质量意味着应用程序所需的优质服务,它可能是一生的长度,数据可靠,节能,和位置——意识,collaborative-processing。这些因素会影响路由协议的选择一个特定的应用程序。在某些应用程序中(例如一些军事应用程序)交付的数据应该在一段时间内的感觉。
数据延迟和开销:这些被认为是影响路由协议设计的重要因素。数据聚合和种继电器导致数据延迟。此外,一些路由协议创建过多的开销来实现他们的算法,不适合严肃的能量约束网络
节点部署:节点部署应用程序的依赖和影响路由协议的性能。部署是确定性或自我组织。在确定性的情况下,传感器是手动放置和数据是通过预先确定的路由路径。然而,在自组织系统中,传感器节点分布随机创建一个特殊的问题无处不在的计算安全系统
无线传感器网络路由协议的分类
不同的路由协议的设计是为了避免资源的弱点限制了网络的性质。传感器网络路由协议可以分为四个主要类别根据:通信线路的类型处理网络中的数据传输从源到水槽
网络结构的类型
使用这些协议进行网络操作
o发起者的通信
b .基于集群的层次模型
集群在集群头提供了内在的优化功能。基于集群的层次模型,数据首先集群中的聚合,然后发送到一个更高级的簇首。因为它从一个较低的水平更高,它更大的距离,从而减少旅行时间和延迟。这个模型是比一个跳或种模式。基于集群的层次移动基站的数据更快比种模型从而减少延迟。进一步,基于集群模型只有变执行数据聚合而种模型中的每一个中间节点进行数据聚合。因此,基于集群模型更适合时间关键型应用程序比种模型。但是,它有一个缺点,即随着集群水平之间的距离增加,所花费的能量正比于距离的平方。这增加能量消耗。尽管这个缺点,这种模式所带来的好处远远大于它的缺点。 A cluster based hierarchical model offers a better approach to routing for HCWSNs.
c .集群路由协议为基础的医疗保健
聚类分类的过程节点分为不同的组划分成一系列的数据集的子集称为集群。集群基本上涉及一组集群,这是选为预定义的标准。集群头进行等其他责任从集群中所有传感器节点收集数据并将其传输到基站。每个集群头转身后的角色每回合集群中的所有节点之间的礼物。应该是平衡的,簇头的能量水平。假设每个传感器节点都有一个广泛的沟通之后,可以直接到达CH和BS。低能量收养聚类层次结构(LEACH)、高效节能的传感器网络(青少年),自适应周期节能传感器网络(APTEEN),以及功耗聚集在传感器信息系统(pegasi)是基于集群的路由协议他们有类似的功能和体系结构在某种程度上是相似的。他们有固定的基础设施。低能自适应聚类层次结构(LEACH) Heinzelman等人提出的是一个著名的层次路由协议应用于集群无线传感器网络。LEACH分无线传感器网络成簇的数量,和传感器节点在同一集群可以直接相互通信。 A sensor node decides which cluster to join based on the strength of receiving signals.
D)的路由协议进行比较分析
现在我们比较路由协议早些时候提到的,根据他们的性能在不同的参数提出了聚类算法的性能分析,主要有两个领域需要检查包括:第一,电力、能源和网络的生命周期。由于有限的传感器节点的能量性质,网络的生命周期依赖于能源的有效利用。主要的比较测量时在一个给定的算法的效率是网络的生命周期。第二,链接的质量和可靠性:当比较聚类算法,链接的质量是一个重要的参数比较。每个集群方案提出了各种恢复机制。

七世。结论和未来的工作
先前的研究在节能性能的聚类算法表明,医疗无线传感器网络的节能集群协议异构无线传感器网络具有更好的性能比节能集群同构无线传感器网络的协议延长网络生命周期。我们得出这样的结论:异构无线传感器网络更适合现实生活应用而均匀。在未来,在智能家居环境中,可能会有多模态传感器解决方案,整合的好处被描述为一个有用的工具对老年人的健康监测和患者需要持续的监控,然而,仍有挑战,克服背景的成就——意识到,和普遍的医疗应用。我们打算让研究人员快速识别领域,需要更多的关注和提出一个新颖的方法改善现有的协议的有效性。我们打算修改浸出提高能源效率。此外,该研究将扩展到包括能源效率协同虚拟环境中,网络、物联网、安全系统和密码系统。

引用