Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ TRUYỀN THÔNG TRONG MẠNG WBAN VÀ KỸ THUẬT HỌC SÂU Trong chương này, luận án trình bày các đặc trưng cơ bản của mạng WBAN, ứng dụng của mạng và mô hình kênh truyền. Tiếp đó, 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 đến 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 đầu tiên được đề xuất bởi Zimmermann năm 1996 [127] và nhóm IEEE 802.
Sau này do tính chất đặc trưng của kỹ thuật truyền thông, mạng truyền thông trên cơ thể người thường được đề cập đến với tên gọi WBAN (Wireless Body Area Network). WBAN kết nối các cảm biến/thiết bị được đặt 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 đo liên tục và truyền thông tin về dấu hiệu sự sống hoặc dữ liệu sức khỏe cơ thể con người về trung tâm để giám sát từ xa [82].1 mô tả một mạng WBAN điển hình trong đó các cảm biến kết nối với một thiết bị đeo (HUB), HUB chịu trách nhiệm nhận thông tin và chuyển tiếp về trung tâm xử lý phục vụ cho phân tích và chẩn đoán. Các cảm biến thu thập các chỉ số sức khỏe như là huyết áp, nhịp tim, nhiệt độ, hô hấp, điện não đồ (EEG: Electroencephalogram), điện tâm đồ (ECG: Electrocardiogram), 9 Hình 1.1 Mô hình mạng WBAN điển hình.
truyền đến HUB và trung tâm xử lý thông qua kết nối không dây. Dữ liệu thu thập được sử dụng để theo dõi, phân tích, hiển thị cảnh bảo về các vấn đề về sức khỏe cho người dùng tại thiết bị đeo hoặc giúp các bác sĩ có thể đưa ra các chẩn đoán, điều trị cho người bệnh kịp thời từ các trung tâm y tế. Truyền thông trong mạng WBAN hiện đã được 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 độ cho các ứng dụng liên quan đến 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 đồ phân bổ băng tần của WBAN ở các quốc gia [26]. Theo tiêu chuẩn IEEE 802.6, truyền thông trong mạng WBAN có thể được tổ chức theo mô hình hình sao một chặng (star topology) hay mô hình đa chặng (multihop topology).
Với mô hình hình sao, các cảm biến có thể truyền trực tiếp về thiết bị HUB. Bên cạnh đó, các cảm biến và thiết bị HUB có thể truyền thông hợp tác theo mô hình đa chặng có hỗ trợ của các nút chuyển tiếp có hiệu quả trong việc giảm tỷ lệ lỗi gói tin so với mô hình hình sao [32], [108].6 đưa ra các yêu cầu cho các thiết bị WBAN để đảm 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 đặc điểm chính gồm [55]: Dải tần số: Chuẩn hỗ trợ các thiết bị hoạt động 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 được cơ quan quản lý quốc gia phê duyệt. Tốc độ dữ liệu và điều chế: Chuẩn hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 10 Mbps và các phương thức điều chế khác nhau tùy thuộc vào chế độ hoạt động.
Hiệu quả năng lượng: Chuẩn yêu cầu tiêu thụ năng lượng cực thấp để kéo dài tuổi thọ pin của các thiết bị đeo. Chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service): Chuẩn có chế độ mặc định và chế độ QoS cao. Chế độ QoS cao được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng y tế có ưu tiên cao đảm 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 để giảm thiểu xuyên nhiễu với các thiết bị không dây khác và đảm bảo an toàn cho người dùng.
Chuẩn xem xét các ảnh hưởng của sự hấp thụ của cơ thể người đối với hiệu suất ăng-ten và định hình mẫu bức xạ để giảm thiểu tỷ lệ hấp thụ đặc biệt (SAR: Specific Absorption Rate). Tính tương thích: Để đảm bảo các thiết bị từ các nhà sản xuất khác nhau có thể hoạt động cùng nhau, chuẩn định 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 độ dữ liệu, điều chế và kênh. Ví dụ, lớp PHY băng tần hẹp có dải từ 2360 MHz đến 2400 MHz sử dụng điều chế MPSK hỗ trợ tốc độ dữ liệu lên đến 0,9714 Mbps.
Tham số lớp MAC: Chuẩn quy định các tham số của lớp MAC, bao gồm số lượng đoạn (fragment) tối đa, độ chính xác đồng hồ của trung tâm, và giá trị thời gian chờ, để đảm bảo truyền thông hiệu quả và tính toàn vẹn của dữ liệu. Bên cạnh việc tuân thủ IEEE 802.6, WBAN còn phải đối 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. Đầu tiên là suy hao lan truyền lớn của các liên kết truyền tin do sự hấp thụ của các mô, cơ trên cơ thể được nhiều nghiên cứu khảo sát, đánh giá [27], [123]. Tiếp theo, các tín hiệu truyền từ nút nguồn đến nút đích 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-đinh đa đường [29].
Thêm vào đó, kênh truyền tin giữa các liên kết có tính di động do các cảm biến/thiết bị đặt cố định trong, trên bề mặt và gần cơ thể nhưng hình dáng, tư thế người lại thay thổi do các chuyển động và quá trình sinh lý (như hô hấp). Đường truyền trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích 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 được đeo 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 đồ bức xạ và thay đổi trở kháng của ăng-ten làm giảm độ tin cậy của liên kết truyền thông [101]. Mạng WBAN được 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 đoán xu thế hoạt động của con người; dịch vụ giải trí như đồng bộ âm thanh, âm thanh, tương tác,.2 Các ứng dụng của WBAN a. Các ứng dụng trong lĩnh vực y tế Mạng WBAN được sử dụng trong các hệ thống theo dõi, chăm sóc và điều trị y tế tiên tiến cho bệnh nhân trong bệnh viện và ở nhà. Bệnh nhân được theo dõi sức khỏe, cảnh báo kịp thời trong khi vẫn sinh hoạt bình thường tại gia đình 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 được tự động thu thập và kịp thời truyền đến 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 được ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị y tế, ví dụ như hệ thống tự động điều khiển máy tạo nhịp tim [15], ống nội soi viên nang, hệ thống tự động tiêm insulin cho bệnh nhân đái tháo đường,.
Hệ thống bao gồm một cảm biến đưa vào bên trong cơ thể, một thiết bị điều khiển và một thiết bị vận hành. Dữ liệu cảm biến thu thập gửi đến thiết bị điều khiển ở trên bề mặt hoặc gần cơ thể bằng đường truyền không dây. Thiết bị điều khiển thực hiện một phép đo y tế và gửi lệnh điều trị y tế đến thiết bị vận hành. Thiết bị vận hành tiến hành xử lý y tế dựa trên lệnh nhận được.
WBAN ứng dụng chẩn đoán không xâm lấn bằng ống nội soi viên nang, viên nang bao gồm một máy ảnh và một bộ thu/phát được nuốt vào bên trong cơ thể. Máy ảnh chụp ảnh đường 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 điều khiển.
Camera chụp ảnh và gửi đến thiết bị điều khiển, dữ liệu hình ảnh được chuyển thành tín hiệu âm thanh để hướng dẫn cho người dùng. Với người khuyết tật nói, các cảm biến bắt các chuyển động ngón tay và bàn tay, thông tin thu được sẽ chuyển thành giọng nói. Người cao tuổi có nhiều bệnh nền như huyết áp, tim mạch và vấn đề liên quan đến sức khỏe phát sinh là đối tượng cần được theo dõi, hỗ trợ thường xuyên.