Body Area Network

Le BAN est défini par IEEE 802.15.6 [note 1] comme « une norme de communication optimisée pour les appareils à basse consommation et qui fonctionnent sur, dans ou autour du corps humain (mais non limitée aux humains) pour servir une diversité d'applications (y compris médicales), l'électronique grand public, le divertissement et autre »[3]. Le groupe de travail standard IEEE 802.15.6 est chargé d'élaborer des dispositifs économes en énergie et de développer des applications pour le BAN[1]. En 1996, les laboratoires de recherche d'IBM ont développé une nouvelle technologie de type PAN (le terme BAN n'est pas encore employé) utilisant la conductivité du corps humain pour transmettre des données[4] - [5]. Cette technologie qui utilise les propriétés conductrices du corps humain s'appuie sur des intensités très faibles, de l'ordre du Nanoampère[4] - [6]. Les applications envisagées alors sont :

• L'échange de données entre appareils portatifs en utilisant le corps des utilisateurs comme moyen de transmission [4] ;
• L'identification automatique de la personne (remplacement de la carte de paiement, reconnaissance de la personne à des fins médicales)[4].

On trouve dès 1997 le terme BAN dans «A systems approach to achieving CarerNet-an integrated and intelligent telecare system»[7] et dans la préface du livre de Robert Metcalfe et Peter J. Denning (en) «Beyond Calculation: The Next Fifty Years of Computing»[8]. En 2007, l'IEEE crée le «Task Group 6» au sein du groupe de travail IEEE 802.15 [note 2] avec pour mission de se concentrer sur des technologies sans fil pouvant opérer à proximité ou au sein du corps humain[9]. Aujourd'hui, la miniaturisation toujours plus poussée des composants, les progrès dans les technologies sans fil et leur essor renforcent le développement des réseaux de type « Body Area Network » [10] - [11].

Le BAN est constitué d'un ensemble de capteurs mobiles et compacts qui surveillent les paramètres vitaux du corps. Ces dispositifs portables (voire implantés), communiquent les données collectées à une station de base grâce à une technologie sans fil. Les données peuvent alors être réexpédiées en temps réel vers un hôpital, une clinique ou ailleurs [1]. Ce type de réseau trouve des applications dans le domaine de la santé mais aussi du sport, de la défense et des loisirs[2] - [12]. La demande croissante de capteurs pour l'électronique grand public, en particulier dans les domaines médical et du jeu, permet de réduire le coût des éléments constitutifs du BAN [13]

Les termes BAN (Body Area Network) et BSN (Body Sensor Network) sont souvent utilisés pour décrire la mise en œuvre de dispositifs informatiques portables au voisinage du corps humain. Ces acronymes sont équivalents[11]. Il existe des variantes qui incluent les mots «Wireless» et/ou «Sensor», ainsi les abréviations WBAN (Wireless Body Area Network) et WBASN (Wireless Body Area Sensor Network) sont utilisées avec la même acception que le terme BAN[11]. L'abréviation BASN (Body Area Sensor Network) est également employée par certains chercheurs[14]. On notera que certaines publications emploient alternativement et indistinctement les termes WBAN et BAN [2].

Architecture BAN Trois-tiers

L'architecture de communication d'un réseau BAN peut se décliner en 3 niveaux (on utilise parfois l'anglicisme « tier »)[15] - [16].

• Le premier niveau représente les communications Intra-BAN. Les communications Intra-BAN font référence aux échanges radio qui ont lieu à proximité immédiate du corps humain. On distinguera les communications entre les capteurs et les communications des capteurs vers un assistant personnel (PDA)[17].
• Le deuxième niveau représente les communications Inter-BAN. Un réseau BAN fonctionne rarement de manière autonome. L'Inter-BAN recouvre les communications entre l'Assistant Personnel et un point d'accès au réseau[18] - [19].
• Le troisième niveau représente les communications hors BAN. C'est à ce niveau que le service est fourni. Dans le domaine de la santé, ce niveau représentera le service de télémédecine d'un hôpital[20] - [note 3].

Architecture d'un capteur (CAN=«Convertisseur Analogique-Numérique»)

Les capteurs (et actionneurs) sont au cœur du premier niveau fonctionnel qui correspond à la communication intra-BAN[15]. La famille de normes IEEE 1451 a pour but de permettre l'accès aux données à travers un ensemble commun d'interfaces si les capteurs sont reliés à des systèmes ou des réseaux via des moyens filaires ou sans fil[21]. Le rôle des capteurs corporels consiste à recueillir des signaux analogiques qui correspondent à des activités physiologiques de l'homme ou à des actions du corps. Ce signal analogique est ensuite numérisé. Enfin, le signal numérique est transmis par un émetteur-récepteur radio[22]. Les capteurs sont parfois appelés senseurs. Ce composant est constitué de plusieurs éléments : la partie capteur proprement dite, un convertisseur Analogique-Numérique[22],une unité d'alimentation, un processeur, une mémoire et un émetteur (ou émetteur-récepteur)[23].L' actionneur a quant à lui un rôle actif vis-à-vis de son porteur, il pourra par exemple délivrer sur commande une substance médicamenteuse. Cette action peut avoir lieu à un moment prédéterminé, ou sous l'influence d'une source externe (par exemple un médecin qui analyse les données). Elle peut être même réalisée en temps réel si le capteur décèle un problème. Un actionneur est constitué d'un récepteur (ou émetteur-récepteur), d'une unité d'alimentation, de mémoire mais le composant principal en est le matériel de commande (un réservoir destiné à contenir le médicament et le matériel pour gérer le médicament)[23].

La nature et le nombre de capteurs dépendront de l'usage attendu.

Les capteurs d'un réseau corporel sont des composants extrêmement compacts et complexes. Leur discrétion doit permettre à l'utilisateur d'oublier leur présence[2].

Le vieillissement de la population et la hausse des coûts des soins de santé dans les pays développés incitent ceux-ci à adopter des solutions nouvelles, au nombre desquelles on trouve les réseaux de type WBAN[73], pour le suivi des patients[73].

Un rapport de 2008 de la « Direction de l'Hospitalisation et de l'Organisation des Soins » (rattachée au « Ministère de la Santé et des Sports ») s'intéresse à la place de la télémédecine dans l'organisation des soins. Les auteurs rappellent le constat suivant : la durée de vie s'allonge de trois mois par an depuis plusieurs décennies, et cet allongement s'accompagne d'une augmentation des maladies chroniques (diabète, hypertension, insuffisances cardiaque et rénale, cancers) [86]. Parallèlement, des projets de recherche dans le domaine des vêtements intelligents sont conduits au niveau européen. Ces vêtements, en intégrant des accéléromètres et des magnétomètres, pourraient être utilisés dans le cadre de la télésurveillance des patients âgés au domicile, permettant de prévenir les chutes, cause importante de mortalité dans cette population. Le projet européen « IST MyHeart » [note 5] s'attache à développer des « vêtements biomédicaux intelligents » intégrant des capteurs enfouis dans le tissu et capables de les transmettre sans fil vers un ordinateur ou un centre spécialisé. En France le projet VTAMN (Vêtement de Téléassistance Médicale Nomade) a été retenu par le ministère de la recherche[87]. Ces vêtements permettent la surveillance en continu des signaux vitaux des patients. Ces outils permettront d'améliorer la qualité de vie des personnes âgées, malades ou fragiles. Le rapport indique ainsi que « ces personnes pourront disposer en permanence d’une surveillance médicale personnalisée et transparente grâce aux vêtements intelligents truffés de capteurs qu’elles porteront en permanence et qui communiqueront en temps réel, via un réseau BAN (Body Area Network), l’ensemble des données médicales à leur médecin traitant ou à leur hôpital de référence ou à une maison de santé »[88]. Il prévoit sur le plan économique que le marché mondial des vêtements intelligents pourrait dépasser sept milliards de dollars en 2014, ces dispositifs, compte tenu du vieillissement de la population devenant aussi indispensables que peut l'être aujourd'hui un mobile.

Les principaux problèmes de conception du système sont :

• L’alimentation des capteurs ;
• La taille et le poids des capteurs ;
• La plage de communication sans fil et caractéristiques de transmission des capteurs ;
• L'emplacement du capteur et leur montage ;
• La configuration système homogène ;
• Le transfert automatique des données ;
• L’interface utilisateur (simple et intuitive) ;
• L’émission en continu, notamment pour les capteurs accéléromètres ou gyroscopes[89].

Les enjeux sociaux du WBAN : En raison de la communication, liée à la santé, entre les capteurs et les serveurs, toutes les communications du WBAN et transmises par Internet doivent être chiffrées pour protéger la vie privée de l’utilisateur. Une réglementation juridique sera nécessaire afin de réglementer l'accès des données nominatives[89].

Les ingénieurs de l'université de l'état de l'Oregon ont développé une nouvelle technologie pour surveiller les signes vitaux médicaux, avec des capteurs perfectionnés, de faible volume et à bas coût qui pourraient tenir sur un bandage, être fabriqués en grandes quantités et coûter moins de 25 cents[note 6].

Nœud : Une entité qui contient un contrôle d'accès au support (MAC) sous-couche, un physique (PHY) couche, et qui fournit en option des services de sécurité.

Concentrateur (Hub) : Une entité qui possède une fonctionnalité d'un nœud et coordonne l'accès au support et gestion de l'alimentation des nœuds dans le réseau de corps (BAN).

BAN : body area network ((fr):Réseau corporel)

BASN : Body Area Sensor Network((fr):Réseau de capteurs corporels)

BCH : code Bose, Ray-Chaudhuri, Hocquenghem code

BSN : Body Sensor Network ((fr):Réseau de capteurs corporels)

CCA : clear channel assessment ((fr):Évaluation du canal libre)

CRC : cyclic redundancy check ((fr):Vérification de redondance cyclique)

CSMA/CA : carrier sense multiple access with collision avoidance ((fr):Accès multiple avec détection de porteuse et évitement de collision)

DTDMA : Reservation-Based Dynamic TDMA Protocol ((fr):Protocole dynamique TDMA)

EFC : electric field communication ((fr):Champ électrique de communication)

FCS : frame check sequence ((fr):Séquence de vérification de la trame)

FM-UWB : frequency modulation ultra-wideband ((fr):Fréquence de modulation à bande ultralarge)

FM-DTDMA : frequency-based DTDMA ((fr):DTDMA basé sur la fréquence)

HARQ : hybrid automatic repeat request ((fr):Requête hybride automatique de répétition)

HCS : header check sequence ((fr):Séquence de contrôle d'en-tête)

HBC : human body communications ((fr):Communication du corps humain)

H-MAC : Heartbeat Driven MAC Protocol ((fr): Protocole MAC basé sur battements de cœur)

IR-UWB : impulse radio ultra-wideband ((fr):Radio impulsions à bande ultralarge)

ISM : Industrial,Scientific and Medical ((fr):)

LPL : Low-power Listening ((fr):Écoute de faible puissance)

MAC : media access control ((fr):contrôle d'accès au média)

MICS : Medical Implant Communications Service ((fr):Service Communication des implants médicaux)

NB : Narrow band ((fr): Couche physique à bande étroite)

PB-TDMA : Preamble-based TDMA ((fr):Préambule fondé sur TDMA)

PHR : physical layer header ((fr):En-tête physique)

PHY : physical or physical layer ((fr):Physique ou couche physique)

PLCP : physical layer convergence protocol ((fr):Protocole de convergence de couche physique)

PPDU : physical layer protocol data unit ((fr):Unité de données du protocole de couche physique)

PSDU : physical layer service data unit ((fr):Unité de données du service de couche physique)

SC : Scheduled-Contention ((fr):Contention prévue)

SFD : start-of-frame delimiter ((fr):Début du délimiteur de trame)

SHR : synchronization header ((fr):En-tête de synchronisation)

TDMA : time division multiple access ((fr):Accès multiple par répartition temporelle)

UWB : ultra wideband ((fr): Couche physique à bande ultralarge)

WBAN : Wireless Body Area Network((fr): Réseau corporel sans fil)

WBASN : Wireless Body Area Sensor Network((fr): Réseau de capteurs corporels sans fil)

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