Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG WBAN VÀ KỸ THUẬT HỌC SÂU Trong chương này, luận án trình bày các ặc trưng cơ bản của mạng WBAN, ứng dụng của mạng và mô hình kênh truyền. Tiếp ó, luận án trình bày về kỹ thuật học sâu và ứng dụng Autoencoder trong truyền thông; hệ thống MIMO, MIMO hợp tác và các nghiên cứu liên quan ến truyền thông trong WBAN. Phần cuối chương trình bày hướng nghiên cứu phát triển của luận án.1 Giới thiệu về WBAN và các ứng dụng 1.1 Khái niệm WBAN và chuẩn IEEE 802.6 Truyền thông trên cơ thể là một kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến ở phạm vi xung quanh, trên và bên trong cơ thể con người. Khái niệm BAN (Body Area Network) lần ầu tiên ược ề xuất bởi Zimmermann năm 1996 [127] và nhóm IEEE 802.
Sau này do tính chất ặc trưng của kỹ thuật truyền thông, mạng truyền thông trên cơ thể người thường ược ề cập ến với tên gọi WBAN (Wireless Body Area Network). WBAN kết nối các cảm biến/thiết bị ược ặt bên trong, trên bề mặt hoặc xung quanh cơ thể con người sử dụng các kết nối vô tuyến. Các thiết bị/cảm biến thực hiện các phép o liên tục và truyền thông tin về dấu hiệu sự sống hoặc dữ liệu sức khỏe cơ thể con người về trung tâm ể giám sát từ xa [82].1 mô tả một mạng WBAN iển hình trong ó các cảm biến kết nối với một thiết bị eo (HUB), HUB chịu trách nhiệm nhận thông tin và chuyển tiếp về trung tâm xử lý phục vụ cho phân tích và chẩn oán. Các cảm biến thu thập các chß số sức khỏe như là huyết áp, nhịp tim, nhiệt ộ, hô hấp, iện não ồ (EEG: Electroencephalogram), iện tâm ồ (ECG: Electrocardiogram), 9 Hình 1.1 Mô hình mạng WBAN iển hình.
truyền ến HUB và trung tâm xử lý thông qua kết nối không dây. Dữ liệu thu thập ược sử dụng ể theo dõi, phân tích, hiển thị cảnh bảo về các vấn ề về sức khỏe cho người dùng tại thiết bị eo hoặc giúp các bác sĩ có thể ưa ra các chẩn oán, iều trị cho người bệnh kịp thời từ các trung tâm y tế. Truyền thông trong mạng WBAN hiện ã ược chuẩn hóa theo chuẩn IEEE 802.6 hướng tới cung cấp chuẩn quốc tế cho truyền thông vô tuyến công suất thấp, cự ly ngắn và tin cậy xung quanh cơ thể con người, hỗ trợ một dải rộng các tốc ộ cho các ứng dụng liên quan ến y tế/chăm sóc sức khỏe và phi y tế.6 hỗ trợ truyền thông tầng vật lý cho ba băng thông hẹp bao gồm các dải tần MICS (Medical Implant Communications Service), WMTS (wireless medical telemetry services), ISM (Industrial Scientific and Medical); một băng thông rộng UWB (Ultra-Wideband) và một băng thông tin liên lạc cơ thể HBC (Human Body Communication) như biểu diễn trên Hình 1.2 Biểu ồ phân bổ băng tần của WBAN ở các quốc gia [26]. Theo tiêu chuẩn IEEE 802.6, truyền thông trong mạng WBAN có thể ược tổ chức theo mô hình hình sao một chặng (star topology) hay mô hình a chặng (multihop topology).
Với mô hình hình sao, các cảm biến có thể truyền trực tiếp về thiết bị HUB. Bên cạnh ó, các cảm biến và thiết bị HUB có thể truyền thông hợp tác theo mô hình a chặng có hỗ trợ của các nút chuyển tiếp có hiệu quả trong việc giảm tÿ lệ lỗi gói tin so với mô hình hình sao [32], [108].6 ưa ra các yêu cầu cho các thiết bị WBAN ể ảm bảo truyền thông tin cậy và hiệu quả ở gần cơ thể con người, phù hợp cho nhiều ứng dụng y tế và phi y tế. Các yêu cầu và ặc iểm chính gồm [55]: Dải tần số: Chuẩn hỗ trợ các thiết bị hoạt ộng trong các dải tần số khác nhau, bao gồm các dải tần công nghiệp, khoa học và y tế (ISM), cũng như các dải tần ược cơ quan quản lý quốc gia phê duyệt. Tốc ộ dữ liệu và iều chế: Chuẩn hỗ trợ tốc ộ dữ liệu lên ến 10 Mbps và các phương thức iều chế khác nhau tùy thuộc vào chế ộ hoạt ộng.
Hiệu quả năng lượng: Chuẩn yêu cầu tiêu thụ năng lượng cực thấp ể kéo dài tuổi thọ pin của các thiết bị eo. Chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service): Chuẩn có chế ộ mặc ịnh và chế ộ QoS cao. Chế ộ QoS cao ược thiết kế ặc biệt cho các ứng dụng y tế có ưu tiên cao ảm bảo truyền dữ liệu y tế quan trọng một 11 cách tin cậy. Xuyên nhiễu và an toàn bức xạ: Chuẩn bao gồm các hướng dẫn ể giảm thiểu xuyên nhiễu với các thiết bị không dây khác và ảm bảo an toàn cho người dùng.
Chuẩn xem xét các ảnh hưởng của sự hấp thụ của cơ thể người ối với hiệu suất ăng-ten và ịnh hình mẫu bức xạ ể giảm thiểu tÿ lệ hấp thụ ặc biệt (SAR: Specific Absorption Rate). Tính tương thích: ể ảm bảo các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt ộng cùng nhau, chuẩn ịnh nghĩa các thủ tục và yêu cầu bắt buộc cho tính tương thích, bao gồm các tham số bắt buộc của các lớp PHY (Physical) và MAC (Medium Access Control). Yêu cầu lớp PHY: Lớp PHY hỗ trợ các công nghệ lớp vật lý khác nhau với các yêu cầu cụ thể về tốc ộ dữ liệu, iều chế và kênh. Ví dụ, lớp PHY băng tần hẹp có dải từ 2360 MHz ến 2400 MHz sử dụng iều chế MPSK hỗ trợ tốc ộ dữ liệu lên ến 0,9714 Mbps.
Tham số lớp MAC: Chuẩn quy ịnh các tham số của lớp MAC, bao gồm số lượng oạn (fragment) tối a, ộ chính xác ồng hồ của trung tâm, và giá trị thời gian chờ, ể ảm bảo truyền thông hiệu quả và tính toàn vẹn của dữ liệu. Bên cạnh việc tuân thủ IEEE 802.6, WBAN còn phải ối mặt với thách thức ảnh hưởng của kênh truyền vô tuyến trên cơ thể làm giảm phẩm chất các liên kết truyền thông trong mạng. ầu tiên là suy hao lan truyền lớn của các liên kết truyền tin do sự hấp thụ của các mô, cơ trên cơ thể ược nhiều nghiên cứu khảo sát, ánh giá [27], [123]. Tiếp theo, các tín hiệu truyền từ nút nguồn ến nút ích ở băng tần ISM gồm tia truyền thẳng (LOS: Line Of Sight) là các sóng uốn cong theo bề mặt cơ thể và các tia phản xạ và tán xạ do các bộ phận trên cơ thể hoặc môi trường xung quanh (trong phòng, hành 12 lang, trong hầm mỏ,.) gây ra hiện tượng pha-inh a ường [29].
Thêm vào ó, kênh truyền tin giữa các liên kết có tính di ộng do các cảm biến/thiết bị ặt cố ịnh trong, trên bề mặt và gần cơ thể nhưng hình dáng, tư thế người lại thay thổi do các chuyển ộng và quá trình sinh lý (như hô hấp). ường truyền trực tiếp từ nút nguồn ến nút ích có thể mất do bị che bởi một bộ phận trên cơ thể, gọi là hiện tượng che khuất (Shadowing). Ngoài ra, do các nút trong WBAN ược eo trên người hoặc gần cơ thể người nên chúng cũng dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng tương tác giữa ăng-ten và cơ thể nhưng méo giản ồ bức xạ và thay ổi trở kháng của ăng-ten làm giảm ộ tin cậy của liên kết truyền thông [101]. Mạng WBAN ược ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong cuộc sống và có thể chia thành hai nhóm chính: ứng dụng trong y tế và ứng dụng phi y tế.
Các ứng dụng trong y tế như giám sát sức khỏe, chăm sóc sức khỏe từ xa. Các ứng dụng phi y tế như là theo dõi dữ liệu sức khỏe con người phục vụ huấn luyện, thực hành tác chiến; trong tập luyện thể thao, dự oán xu thế hoạt ộng của con người; dịch vụ giải trí như ồng bộ âm thanh, âm thanh, tương tác,.2 Các ứng dụng của WBAN a. Các ứng dụng trong lĩnh vực y tế Mạng WBAN ược sử dụng trong các hệ thống theo dõi, chăm sóc và iều trị y tế tiên tiến cho bệnh nhân trong bệnh viện và ở nhà. Bệnh nhân ược theo dõi sức khỏe, cảnh báo kịp thời trong khi vẫn sinh hoạt bình thường tại gia ình hoặc trong phòng theo dõi tại bệnh viện tạo sự thoải mái, tiện lợi [67].
Các dịch vụ y tế và chăm sóc sức khỏe mà WBAN hỗ trợ bao gồm 3 lĩnh vực: kiểm tra y tế (medical check-up), phục hồi chức năng (physical rehabilitation) và theo dõi sinh lý (physiological monitoring) [13]. Các thông tin sức khỏe quan trọng sẽ ược tự ộng thu thập và kịp thời truyền ến 13 nhân viên y tế hoặc trung tâm chăm sóc sức khỏe cho bệnh nhân. WBAN ứng dụng trong hệ thống chăm sóc sức khỏe sẽ giảm tải cho bệnh viện, tăng hiệu quả giám sát, theo dõi bệnh nhân và người cao tuổi tại nhà. Mạng WBAN còn ược ứng dụng trong chẩn oán và iều trị y tế, ví dụ như hệ thống tự ộng iều khiển máy tạo nhịp tim [15], ống nội soi viên nang, hệ thống tự ộng tiêm insulin cho bệnh nhân ái tháo ường,.
Hệ thống bao gồm một cảm biến ưa vào bên trong cơ thể, một thiết bị iều khiển và một thiết bị vận hành. Dữ liệu cảm biến thu thập gửi ến thiết bị iều khiển ở trên bề mặt hoặc gần cơ thể bằng ường truyền không dây. Thiết bị iều khiển thực hiện một phép o y tế và gửi lệnh iều trị y tế ến thiết bị vận hành. Thiết bị vận hành tiến hành xử lý y tế dựa trên lệnh nhận ược.
WBAN ứng dụng chẩn oán không xâm lấn bằng ống nội soi viên nang, viên nang bao gồm một máy ảnh và một bộ thu/phát ược nuốt vào bên trong cơ thể. Máy ảnh chụp ảnh ường tiêu, thông qua bộ thu/phát truyền các dữ liệu hình ảnh, video thời gian thực ra các thiết bị y tế ngoài cơ thể [115]. Một nhóm ứng dụng hứa hẹn khác của WBAN trong lĩnh vực y tế là hỗ trợ người khuyết tật và phòng ngừa tai nạn, cấp cứu người cao tuổi [68]. Một người khuyết tật thị giác sử dụng hệ thống hỗ trợ bao gồm các camera và thiết bị iều khiển.
Camera chụp ảnh và gửi ến thiết bị iều khiển, dữ liệu hình ảnh ược chuyển thành tín hiệu âm thanh ể hướng dẫn cho người dùng. Với người khuyết tật nói, các cảm biến bắt các chuyển ộng ngón tay và bàn tay, thông tin thu ược sẽ chuyển thành giọng nói. Người cao tuổi có nhiều bệnh nền như huyết áp, tim mạch và vấn ề liên quan ến sức khỏe phát sinh là ối tượng cần ược theo dõi, hỗ trợ thường xuyên.