Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG WBAN VÀ CHUẨN IEEE 802. Tổng quan về mạng WBAN Ngày nay, do sự già hóa dân số tăng dần nhanh nên việc chăm sóc và giám sát từ xa các vấn đề liên quan đến sức khỏe con người là hết sức cần thiết. Việc giám sát tình trạng sức khỏe của con người theo phương pháp truyền thống là rất khó để cho các bác sĩ biết chính xác những gì thực sự đang diễn ra với bệnh nhân. Mỗi năm hàng triệu người chết vì bệnh ung thư, tim mạch, Parkinson, hen suyễn, béo phì, tiểu đường và nhiều bệnh mãn tính khác.
Nguyên nhân gây nên tử vong là do phát hiện các triệu chứng mắc bệnh quá muộn. Thực tế đã chỉ ra rằng hầu hết các bệnh có thể ngăn chặn được nếu chúng được phát hiện ở giai đoạn đầu. Vì thế, hệ thống chăm sóc sức khỏe trong tương lai sẽ cung cấp các dịch vụ chăm sóc sức khỏe tập trung vào việc phát hiện sớm và phòng ngừa bệnh. Một giải pháp quan trọng có thể thực hiện được là chủ động chăm sóc sức khỏe thông qua hệ thống giám sát trên cơ thể người, có khả năng phát hiện sớm các biểu hiện bất thường từ đó nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống.
Ví dụ: theo dõi giám sát tín hiệu quan trọng như nhịp tim của bệnh nhân cho phép họ tham gia vào các hoạt động bình thường trong cuộc sống, thay vì bắt họ phải ở nhà hoặc ở gần với các dịch vụ y tế chuyên khoa. Điều này có thể thực hiện được thông qua một mạng lưới giám sát thông minh, năng lượng thấp, sử dụng các công nghệ cảm biến. 8 9 Cảm biến và các cơ cấu chấp hành có thể được đặt trên cơ thể, hoặc cấy vào bên trong cơ thể con người hoặc thậm chí trong mạch máu để cung cấp số liệu kịp thời [1]. Sử dụng WBAN sẽ giảm chi phí chăm sóc sức khỏe bằng cách loại bỏ những chi phí tốn kém không cần thiết của bệnh nhân trong bệnh viện đồng thời bảo đảm an toàn cho cuộc sống [2].
Các tiêu chuẩn hiện có như IEEE 802.11 là không thích hợp cho WBANs [3]. Do thiếu một công nghệ không dây thích hợp đáp ứng tất cả các yêu cầu của WBAN, nhóm công tác IEEE 802.15 thành lập Nhóm công tác 6 (TG6) vào tháng 11 năm 2007 để phát triển một tiêu chuẩn truyền thông được gọi là IEEE 802. Mục đích của nhóm là thiết lập một tiêu chuẩn truyền thông được tối ưu cho tầm ngắn và các cảm biến tiêu thụ năng lượng thấp trên/trong cơ thể để phục vụ cho nhiều loại ứng dụng. Chuẩn này cung cấp các giải pháp truyền thông hiệu quả cho các hệ thống chăm sóc sức khỏe và y học từ xa, trò chơi điện tử tương tác, quân sự [4]–[7].
WBAN được coi là trường hợp đặc biệt của mạng WSN tạo nên bởi các cảm biến không dây kích thước nhỏ, công suất thấp, trọng lượng nhẹ đặt trên/trong cơ thể người có nhiệm vụ giám sát các chức năng của cơ thể người và môi trường xung quanh. Các thông tin giám sát về sinh lý của cơ thể gồm: nhịp tim, huyết áp, các chỉ số máu. , các tham số liên quan tới trạng thái trong không gian: đi, đứng, nằm. , cũng như các tham số của môi trường xung quanh: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất.
WBAN bao gồm các thiết bị mang đeo (Wearable) hoặc cấy bên trong (Implantable) cơ thể. Tùy theo ứng dụng mà chủng loại, vị trí cũng như số lượng các cảm biến được lựa chọn khác nhau. WBAN xác định cơ thể sống con người vừa là nguồn tin cũng đồng 10 WBAN EEG Vệ tinh EMG Nhân viên y tế Vệ tinh ECG GPRS BP PDA/Phone Internet Cơ sở dữ liệu thông tin y tế Cử động Nhiệt kế Máy tính tại nhà Khẩn cấp Hình 1.1: Tổng quan về WBAN thời là môi trường truyền tin nên dẫn tới những thách thức thực sự cho các giải pháp công nghệ: kích thước và năng lượng tiêu thụ của các cảm biến, ảnh hưởng của sóng điện từ tới sức khỏe con người, truyền tin trong môi trường mô tế bào, kênh truyền biến động khi cơ thể sống cử động [8], [9]. Kiến trúc truyền thông về mạng WBAN Cấu hình chung của WBAN có thể được chia ra thành 3 phân lớp: bên trong (lớp 1); bên ngoài (lớp 2); và mở rộng (lớp 3) như Hình 1.
Phân lớp bên trong của WBAN được mô tả như Hình 1. Thông tin trao đổi trong lớp 1 bao gồm hai loại thông tin là: thông tin trao đổi giữa các cảm biến; và thông tin trao đổi giữa cảm biến với bộ điều phối (Coordinator). Tùy theo ứng dụng mà số lượng, vị trí và chủng loại cảm biến được bố trí khác 11 Dịch vụ khẩn cấp Điểm truy cập Gia đình bạn bè Trung tâm dữ Cổng liệu y tế kết nối Bác sỹ Phân lớp Phân lớp Phân lớp bên trong bên ngoài mở rộng Hình 1.2: Kiến trúc truyền thông của mạng cơ thể WBAN nhau. Cảm biến được bố trí theo hai cách khác nhau là dạng đính ngoài hoặc được cấy bên trong cơ thể.
Một mạng WBAN có thể bao gồm toàn bộ các cảm biến cấy bên trong, đính ngoài, hoặc là sự kết hợp [10]. Cũng vì đặc thù cách bố trí cảm biến mà kênh truyền sóng của WBAN trở nên hết sức phức tạp, trong đó có 3 kênh truyền chính là: truyền tin trong môi trường mô tế bào; truyền tin từ mô tế bào ra ngoài; và truyền tin trên bề mặt cơ thể [11]. Nhiệm vụ chính của các cảm biến là thu thập thông tin về sinh lý, trạng thái trong không gian và thông tin về môi trường bên ngoài cơ thể để đảm bảo nhiệm vụ chính là giám sát của WBAN. Lớp 2 nhằm mục đích kết nối các WBAN với các mạng khác nhau, như các mạng di động và Internet.
Lớp 3 đảm bảo việc kết nối của điểm truy cập AP với một cổng (Gateway) để từ đó kết nối với một mạng viễn thông công cộng có thể là mạng di động hoặc Internet, trên nền tảng đó các ứng dụng sẽ được thiết lập. 12 Kết nối nội mạng BAN Kết nối BAN với mạng ngoài Hình 1.3: Phân lớp bên trong của WBAN 1. Ứng dụng và yêu cầu của WBAN 1. Ứng dụng a) Ứng dụng trong lĩnh vực y tế WBAN đầu tiên được đề xuất để ứng dụng trong lĩnh vực y tế nhằm giám sát bệnh nhân bị bệnh tim mạch, giám sát chăm sóc người cao tuổi, phát hiện ung thư, hệ thống y học từ xa [12]–[14].
Các bệnh viện sẽ quản lý và giám sát được toàn bộ các thông tin của bệnh nhân như: nhịp tim, huyết áp, các tham số của máu. một cách liên tục và tức thời, điều này sẽ thực sự có ý nghĩa trong việc điều trị bệnh nhân. Những người gặp các vấn đề về sức khỏe như các bệnh về huyết áp, bệnh tiểu đường, bệnh tim mạch. sẽ cảm thấy yên tâm hơn khi họ biết rằng họ đang được liên tục giám sát y tế, bất kể là họ đang ở đâu và làm gì.
Ở cấp độ cao hơn WBAN không những chỉ 13 dừng lại ở việc giám sát mà còn trực tiếp tham gia vào việc điều trị. Một ví dụ điển hình là các nhà khoa học đã thực hiện cấy cảm biến vào võng mạc của bệnh nhân khiếm thị để trao cơ hội cho họ có được cảm nhận về một thế giới thực hoặc là phát hiện ung thư bằng các cảm biến có khả năng phát hiện oxit nitric tạo ra bởi tế bào ung thư mà không cần sinh khiết. Trong tương lai WBAN hứa hẹn mang lại một nền tảng hạ tầng mới cho lĩnh vực y tế. b) Ứng dụng trong quân sự và quốc phòng Quyền năng mạng (NEC) là tên của chương trình dài hạn nhằm tăng cường khả năng quân sự thông qua việc sử dụng các các hệ thống thông tin.
Các khả năng mới được bổ sung bởi WBAN sẽ nâng cao hiệu quả hoạt động, ở cả cấp độ cá nhân và cấp độ tập thể của người lính khi tham gia vào các hoạt động quân sự. Ở cấp độ cá nhân, cảm biến có thể theo dõi các thông số quan trọng và cung cấp thông tin về môi trường xung quanh để tránh các mối đe dọa, trong khi thông tin lấy ở cấp độ tập thể sẽ giúp người chỉ huy có thể phối hợp tốt hơn các hoạt động đồng đội và các nhiệm vụ. Kỹ thuật phân vùng không gian và thông tin liên lạc giữa các WBAN đóng một vai trò quan trọng, cũng như vấn đề an ninh bảo mật để ngăn chặn các thông tin nhạy cảm khỏi bị thu thập bởi kẻ thù. Trong chiến trường khắc nghiệt, sẽ rất hiệu quả nếu người chỉ huy mặt trận có thể biết được chính xác người lính trong chiến dịch đang khỏe hay yếu, căng thẳng hay bình tĩnh, vận động hay đứng yên ở một vị trí xác định.
Ngoài ra, trong trường hợp xấu nhất là người lính bị thương thì bộ phận quân y sẽ tức thời nhận được các thông tin về tình trạng chấn thương để có được sự hỗ trợ tốt nhất [15]. 14 c) Ứng dụng trong các trường hợp khẩn cấp Do tính liên tục và tức thời của các thông tin thu thập được mà WBAN thể hiện rõ ưu điểm trong các trường hợp khẩn cấp như cứu hộ, cứu nạn. Một chiến sỹ cứu hỏa sẽ cảm thấy an toàn hơn khi biết mình đang được giám sát và sẽ nhận được những cảnh báo kịp thời về nhiệt độ cũng như nồng độ khí độc của môi trường xung quanh [16]. d) Ứng dụng trong thể thao và giải trí Với việc giám sát toàn bộ các thông tin sinh học của vận động viên cả khi luyện tập và thi đấu mà các nhà khoa học thể thao có thể đưa ra các điều chỉnh nhằm nâng cao thành tích, đồng thời hạn chế tối đa các chấn thương có thể xảy ra.
Việc thu thập toàn bộ thông tin của vận động viên có thể giúp các lập trình viên mô phỏng trong thời gian thực nhân vật tương ứng, và sẽ có được trải nghiệm thú vị thực sự về chính bản thân mình ở trong đó [17]. Yêu cầu Ý tưởng về mạng cơ thể WBAN được đề xuất bởi Van Dam cùng các cộng sự từ năm 2001 nhưng chỉ những năm gần đây mới nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học. Nguyên nhân chính là do những thách thức và khó khăn về công nghệ mà WBAN yêu cầu [16]–[22]. Để hiện thực hóa được WBAN yêu cầu sự phát triển của nhiều lĩnh vực: chế tạo cảm biến, công nghệ vật liệu, xử lý tín hiệu, công nghệ thông tin.
Có thể nói chế tạo thành công các cảm biến đóng vai trò quyết định tới việc hiện thực hóa WBAN.