Giriş

Özellikle gelişmiş ülkelerdeki nüfusunun yaşlanmasıyla birlikte, kronik hastalıkların, ruhsal

sorunların, yaralanmaların ve ölümcül bulaşıcı hastalıklara yakalanan kişilerin sayısının artması,

sağlık hizmetlerinin kullanımını ve maliyetini artırmıştır. Yaşlı nüfusun artmasının yanında köyden

kente göç, kırsal yerleşimlerin sayıca çok ve dağınık bir yapıya sahip olması, yeterli uzman sağlık

personeli yetiştirmeyi ve kırsal alana kaliteli sağlık hizmeti götürmeyi olanaksız hale getirmiştir. Bu

sebeple, kablosuz teknoloji imkânları kullanılarak sağlık hizmetlerinin sağlık tesisleri dışında da

verilebilmesi bir zorunluluk haline gelmiştir.

Yaşlı nüfusta görülen artış, 21. yüzyılda ön plana çıkan en önemli demografik olgulardan biridir.

Yapılan araştırmalar, ülkemizin demografik yapısında da ciddi değişimler meydana geldiğini

göstermektedir. Yakın bir gelecekte, şu anda 2.23 olan toplam doğurganlık hızının yenilenme

düzeyine inmesi ve bunun bir sonucu olarak da çocuk ve genç nüfusun zaman içerisinde azalması

ve yaşlı nüfusun toplam nüfus içerisindeki payının artması öngörülmektedir. 2005 yılında yüzde 5.7

olan Türkiye’de 65 yaş ve üzeri nüfusun oranının 2050 yılında yüzde 17.6’ya ulaşacağı

varsayılmaktadır [1]. Halihazırda gelişmiş ülkelerde görülen yaş dağılımına benzer bir yapıya

Türkiye’nin yüzyılın ortasına doğru ulaşacağı öngörülmektedir.

Uzaktan bakım hizmetinin verilmesi, sağlık hizmetleri verilen yerlerin iş yükünün azalmasına neden

olmaktadır. Ayrıca, yaşlıların hastane ortamında uzun süre bakılmasının ülkelere getirdiği maddi

yük, günümüzde hızla artan nüfus, kişi başına düşen hastane yatak sayısında azalma, hastada

hastaneye yatış ile ilgili birçok fiziksel, psikolojik ve sosyal sorunlara neden olabilmektedir.

Sağlık hizmetlerinin verilmesinde kablosuz iletişim teknolojilerinden hem sağlık tesislerinin içinde

hem de dışında yararlanılabilir. Kablosuz iletişim teknolojileri ve yeni geliştirilen yaklaşımlardan

faydalanarak sağlık tesislerinde, günlük bakım süreçleri yeniden düzenlenebilir ve hastane

verimliliğini önemli ölçüde artırabilir. Bu sayede, sağlık personeli hastanedeki destek

faaliyetlerinden artan zamanlarını bakım faaliyetlerine yönlendirebilir. Çalışmalar, kablosuz

teknolojilerin tıbbi süreçlere uygulanması ile %20 civarında verimlilik artışı sağlanabileceğini

göstermiştir. Yine kablosuz teknoloji kullanılarak sağlık tesisleri dışında uzaktan bakım hizmeti

verilmesi konusunda çalışmalar devam etmektedir.

Tezimizde konu edilen çalışmanın amacı, çeşitli medikal verilerin (kalp atış hızı, sıcaklık vb.)

Kablosuz Algılayıcı Ağlar yardımıyla elde edilmesi, iletilmesi ve internet erişimi olan merkezi bir

bilgisayar yardımıyla elde edilen verilerin depolanması; sonrasında doktorlar, hasta bakıcılar ve

hasta yakınları gibi yetkilendirilmiş kullanıcılar tarafından internete bağlanabilen herhangi bir cihaz

(bilgisayar, PALM, PDA, cep telefonu vb.) aracılığı ile uzaktan kolaylıkla takip edilmesini

sağlayacak On-line Kablosuz Medikal İzleme ve Kontrol Sistemi (OKMİKS)’ni gerçekleştirmektir.

Kablosuz Algılayıcı Ağ Teknolojileri

Günümüzde, Kablosuz Vücut Alan Ağları (VAA - WBAN) tıbbi izleme sistemlerinde her zaman ve

her yerde kullanılabilme özellikleri ile anahtar bir öneme sahip olma yolunda ilerlemektedirler.

İçerisinde pek çok farklı disiplinden çalışma konuları barındırması ve popülaritesinin artması sebebi

ile araştırmacıların da ilgisini çekmektedirler.

Bir VAA’da yer alacak tıbbi algılayıcılar, kullanıcının günlük hayatında herhangi bir aksamaya

veya davranış değişikliğine yol açmayacak şekilde olabildiğince küçük ve esnek bir yapıda

olmalıdırlar. Bu özellikleri ile pek çok hastalığın teşhis ve tedavisinde kritik roller üstelenmeleri söz

konusu olmaktadır.

Düğümler Kullanarak Tıbbi Verilerin Elde Edilmesi

Bir VAA’da her bir tıbbi algılayıcı; sıcaklık, kan basıncı veya ECG gibi birbirinden farklı hayati

verileri takip etmektedir. Düğümler tarafından toplanan bilgiler merkezi bir alıcı düğüme

iletilmekte, oradan da genellikle kablolu ve yüksek hızlı bir haberleşme tekniği ile takip ve

değerlendirmenin yapılacağı noktalara iletilmektedir.

Tablo 1. Bir VAA Prototipi

1. ECG

2. Nefes Alış

3. EEG

4. Vücut Sıcaklığı

5. Kan Basıncı

6. İvme ölçer

7. Oksijen Saturasyonu

8. Nabız

9. Gyroscope

Tablo 1 de, bir insan üzerine tıbbi veri toplamak amacıyla yerleştirilebilecek algılayıcı çeşitleri

verilmiştir.

Düğümler vasıtasıyla hasta takibinde kullanılan tıbbi veriler, genellikle o hastanın hastalığı

hususunda yargıda bulunmak için gerekenlerden daha fazladır. Mevcut sistemlerde düğümler her

zaman aktiftir ve içerisinde bulunduğu VAA içerisinde lider düğüme sürekli veri gönderimi yapar

ve bu durum gereksiz enerji tüketimi sebebiyle düğüm ve ağ ömrünün kısalmasına yol açmaktadır.

Tablo 2. Tıbbi Veri Algılayıcı Tipleri ve Veri Oranları [2]

Uygulama Veri Oranı Bant Genişliği Doğruluk

ECG (12 prob) 288 Kbps 100-1,000 Hz 12 bit

ECG (6 prob) 71 Kbps 100-500 Hz 12 bit

EMG 320 Kbps 0-10,000 Hz 16 bit

EEG (12 Prob) 43.2 Kbps 0-150 Hz 12 bit

Oksijen

Saturasyonu

(SPO2)

16 bps 0-1 Hz 8 bit

Glikoz Ölçümü 1600 bps 0-50 Hz 16 bit

Sıcaklık 120 bps 0-1 Hz 8 bit

Hareket Algılayıcı 35 Kbps 0-500 Hz 12 bit

Koklear İmplant 100 Kbps - -

Yapay Retina 50-700 Kbps - -

Ses 1 Mbps - -

İnsan Sesi 50-100 Kbps - -

Tablo 2 de görüldüğü üzere farklı tıbbi sinyaller farklı çözünürlüklerde ve hızlarda haberleşmeyi

gerektirmektedir. Ölçümlerde kullanılacak düğümlerin en azından veri tipinin gerektirdiği bant

genişliklerinde ölçüm yapıp sinyal gönderebilir olmaları gerekmektedir. Bazı temel tıbbi sinyallerin

büyüklükleri ve ölçme frekansları tablo 3 de verilmektedir.

Tablo 3. Bazı Temel Tıbbi Sinyaller ve Özellikleri [3]

Parametre Parametre Sınırları Sinyal Frekansı

ECG Sinyali 0.5-4 mV 0.01-250 Hz

Solunum Oranı 2-50 nefes/dak 0.1 - 10 Hz

Kan Basıncı 10-400 mm Civa 0-50 Hz

EEG 3µV-300µV 0.5-60 Hz

Vücut Sıcaklığı 32-40 Derece 0-0.1 Hz

EMG 10µV-15mV 10-5000 Hz

Tablo 4’de tıbbi izlemede kullanılan farklı kablosuz teknolojilere ait çalışma frekansı, veri aktarım

oranı, MAC katmanı erişim metodu, gönderim gücü ve çalışma mesafesi gibi parametreler

karşılaştırmalı olarak gösterilmektedir.

Tablo 4. Tıbbi İzlemede Kullanılan Kablosuz Teknolojiler [3]

MICS WMTS UWB IEEE

(802.15.6)

IEEE

802.15.4

(Zigbee)

IEEE 802.15.1

(Bluetooth)

WLAN-WIFI

(802.11b/g)

Frekans

Bandı

402-405 MHz 608-614,

1395-1400,

1429-1432

MHz

3-10 GHz 2.4 GHz

(868/915 MHz

Avrupa /

Amerika)

2.4 GHz 2.4 GHz

Bant genişliği 3 MHz 6 MHz >500MHz 5 MHz 1 MHz 20 MHz

Veri Oranı >150 Kbps - 850 Kbps 250 Kbps 1 Mbps > 11 Mbps

Çoklu Erişim Belirtilmemiş Belirtilmemiş ALOHA CSMA/CA FHSS/GFSK OFDMA, CSMA/CA

Gönderim

Gücü

-16 dBm

(25 µW)

> 10 dBm ve

<1.8 dB

(1.5 Watt)

-41 dBm 0 dBm 4 dBm, 20 dBm 250 mW

Mesafe 0-10m >100m 2m 0-10m 10, 100m 0-100m

Bilinen, yaygın düğümlerin kullanmış oldukları haberleşme standardı, veri gönderim oranları ve dış

ortam çalışma mesafesi bilgileri Tablo 5’te verilmiştir.

Tablo 5. Yaygın VAA Düğümlerinin Genel Özellikleri [4]

Adı İşletim

Sistemi

Kablosuz

Standardı

Veri Oranı

(kbps)

Dış ortam

çalışma mesafesi (m)

BAN node TinyOS IEEE 802.15.4 250 50

BTNode TinyOS Bluetooth - -

eyesIFX TinyOS TDA5250 64 -

iMote TinyOS Bluetooth 720 30

iMote2 TinyOS/.NET IEEE 802.15.4 250 30

IRIS TinyOS IEEE 802.15.4 250 300

MICAz TinyOS IEEE 802.15.4 250 75-100

MICA2 TinyOS IEEE 802.15.4 38,4 >100

Mulle TCP/IP veya

TinyOS

Bluetooth veya

IEEE 802.15.4

- >10

TelOS TinyOS IEEE 802.15.4 250 75-100

ZigBit ZDK IEEE 802.15.4 250 3,700

Tablo 6. Başlıca düğüm modeli iletişim sistemleri ve teknik verileri [5]

Model

Adı

Çalışma

Frekansı

Veri

Oranı

Çıkış

Gücü

Gönderim

Akımı

Alma

Akımı

UWB 3.1-10.6 GHz 20 Mbps -41 dBm 1.6mW

2 mW

16 mA

Mica2 868/916 MHz 38.4 Kbps -24- +5 dBm 27 mA 10 mA

MICAz 2.4 GHz 250 Kbps -24 – 0 dBm 11mA (-10dBm)

14mA (-5dBm)

19.7 mA

17.4 mA (0dBm)

Mica2DOT 433 MHz 38.4 Kbps -20-+10 dBm 25 mA 8 mA

CC1010 300..1000 MHz 76.8 Kbps -20-+10 dBm 26.6 mA 11.9 mA

CC2400 2.4GHz 1 Mbps -25 – 0 dBm 19 mA 23 mA

MICS 402-405,433 Mhz 800 Kbps <0 dBm 5 mA 5mA

İnsanların günlük hayatlarının büyük bir bölümünde hareketli olduklarını varsayarsak üzerinde

algılayıcı düğümler taşıyan kimselerin birbirlerine üç metre gibi belli ölçüden daha fazla

yaklaştıklarında aynı kanalda haberleşen düğümler arasında mesaj paketi çakışmaları yaşanacak ve

aynı verilerin defalarca gönderilmesi durumu yaşanacaktır.

Daha etkin bir enerji yönetimi açısından birden fazla kanalı destekleyen, gerçekten veri göndermesi

gereken düğümlerin doğru zamanda veri göndermesini sağlayacak bir protokolün geliştirilmesi söz

konusu verimsizliklerin azaltılmasını sağlayabilir.

Minyatür yapıdaki bu tür algılayıcıların kolay taşınabilir olması, kullanıcıyı rahatsız etmemesi

amacıyla kablosuz olmaları gerekmektedir. Kablosuz ve dağıtık yapıda farklı görevlere sahip her bir

cihaz (düğüm) çalışmak ve ölçüm yapmak için gerekli enerjiyi genellikle pillerden sağlamaktadır.

Pillerin enerji kapasiteleri genellikle fiziksel büyüklükleri ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla

düğümlerin küçültülebilmesi aynı zamanda pil hacimlerinin de küçültülmüş olmasını gerektirir.

Küçük pil hacimlerinin düğümlerin uzun süre çalışabilmesini sağlamak amacıyla düğümlerin

enerjiyi sadece gerekli olduğunda ve gerektiği ölçüde harcamaları esastır. Bunu sağlamak amacıyla

alternatif kaynaklardan ve vücut hareketlerinden enerji üretimi, daha uzun ömürlü pillerin

geliştirilmesi, pillerin uzaktan temassız olarak şarj edilmesi, enerji sarfiyatına sebep olan etkenlerin

azaltılması, daha verimli haberleşme protokollerinin geliştirilmesi, gereksiz haberleşme işlemlerinin

en aza indirgenmesi gibi pek çok farklı konuda çalışmalara devam edilmektedir.

Medikal verilerin toplanması ve değerlendirilmesi aşamalarında verinin doğruluğu, bütünlüğü,

gizliliği, veri akış hızı, düğümlerin ağa katılma ve haberleşemeye başlama süreleri gibi parametreler

önem kazanmaktadır.

Pil ile çalışan sistemlerde, pil ömrü, sistemin genel performansını etkileyen en önemli

etmenlerdendir. Özellikle çalışması esnasında pilin şarj edilmesi veya değiştirilmesi kolay ve

mümkün değil ise pil enerjisinin son derece dikkatli harcanması gerekir. Pillerin boşalması

genellikle sürekli veya aralıklı deşarj yoluyla gerçekleşmektedir. Sürekli deşaj işleminde, aralıksız

olarak pilden akım çekilir. Aralıklı deşarj işleminde ise akım çekme işlemine fasılalar konur ve

akım çekim işlemleri arasına bekleme/dinlenme periyotları girer. Söz konusu bekleme periyotları

pilin kaybettiği gücü kısmen geri kazanmasına imkan tanır. Bu etkiye kurtarma etkisi (recovery

effect) adı verilir.

Y.Zhang ve K. Chakrabarty [6] yaptıkları çalışmalarla pille çalışan sistemlerin daha uzun ömürlü

hizmet verebilmeleri amacıyla pil deşaj eğrilerini ortaya çıkarıp modellemeye çalışmışlardır. Tablo

X de polimer yapılı Li-Ion bir pilin sürekli ve aralıklı deşarjı arasındaki pil ömrü farkı açıkça

görülmektedir. Kurtarma etkisinin iki temel sonucu vardır. Bunlardan ilki pil kaybettiği gücünün bir

kısmını kesinlikle geri kazanmaktadır ve bu etki pil ömrünü uzatır. İkincisi de bazı durumlarda

bekleme periyodu bir sonraki deşarj dönemini sıfırlar. Bir bekleme döneminden sonra deşarja

başlandığında neredeyse bir önceki deşarj dönemi ile aynı seviyeden başlamış olur. Diğer taraftan

sürekli şarjda bu olay gerçekleşmez ve yavaş yavaş artan sürekli düşüşler görülür.

Şekil 1. Li-Ion Pil Sürekli ve Aralıklı Deşarj Eğrisi Karşılaştırması [6]

Kablosuz Haberleşmede Kullanılan Belli Başlı MAC Katmanı Modelleri

Kablosuz Algılayıcı Ağlarda (KAA) kullanılan ağ teknolojileri ağırlıklı olarak dağıtık yapılardan

kaynaklanan ağ problemlerinin çözümü üzerine yoğunlaşmıştır.

KAA’lar için kullanılan MAC (Medium Access Control) protokolleri genel olarak çekişmeli ve

çekişmesiz şeklinde iki kategoriye ayrılmıştır. Bunların dışında kalan Frekans Bölmeli Çoklu

Erişim (Frequency Division Multiple Access-FDMA) karmaşık bir donanım gerektirirken, Kod

Bölmeli Çoklu Erişim (Code Division Multiple Access-CDMA) tekniği yüksek hesaplama işlemleri

gerektirmektedir. Bu sebeple Vücut Alan Ağları (VAA)’lar için tercih edilmemektedirler.

Tablo 7. MAC katmanı haberleşme teknikleri karşılaştırması [7]

Haberleşm

e Tekniği

Avantaj Dezavantaj

CDMA Çarpışmasız ortam. İşlemci üzerinde yüksek hesaplama

gereksinimi.

FDMA Çarpışmasız ortam, eşzamanlı

gönderim.

Farklı kanallarda çalışabilen

alım/gönderim mekanizmaları

gerektirme.

CSMA Düşük gecikme yeteneği, umut

verici iş çıkarma potansiyeli,

topoloji değişikliklerine iyi

uyum sağlama.

Çarpışma belirleme ve çarpışma

önleme mekanizmaları gerektirme.

TDMA Çarpışmasız ortam. Hassas senkronizasyon gerektirme.

Esnek ve çabuk uyarlanabilir değil.

Ölçeklenebilir değil.

S-MAC [8] , T-MAC [9] , B-MAC [10] ve WiseMAC [11] gibi çekişme tabanlı (CSMA) MAC

protokolleri enerji verimliliği üzerine yoğunlaşmamışlardır.

PACT [12] ve LEACH [13] gibi çekişmesiz (TDMA) tabanlı MAC protokolleri kümeleme

hiyerarşisini organize ederek, zaman bölmeleri (slot) tahsis edilmiş düğümlerin çakışmasını

engellemeye çalışır.

IEEE 802.15.4 standardı düşük oranlı (low-rate) kablosuz kişisel ağlar için tasarlanmıştır. 10

metrelik alan içerisinde en fazla 256 adet düğüm için 250 kbps bant genişliğini destelemektedir ve

802.15.6 standardında belirtilen 10Mbpslik ihtiyaca cevap verememektedir. IEEE 802.15.4 farklı

WPAN düğümlerini birbirinden ayırmak amacıyla WPAN ID ve Koordinator ID terimlerini

kullanmaktadır.

Farklı VAA’lar bir araya geldiklerinde bütün düğümler zaman boşluğu alabilmek için çekişmeye

girerler (contention period) ve bu durum gerçek ağ büyüklüğünün ikiye katlanmasına sebep olur.

Tablo 8. Mevcut MAC Protokollerinin Kablosuz VAA Bakımından Karşılaştırılması [7]

Protokol MAC

Yaklaşımı

Zaman Senkronizasyon

İhtiyacı

Avantajlar Dezavantajlar Yorumlar

S-MAC[8] CSMA /

Zamanlama

Yok Basitlik, yüksek

gecikme, zaman

uyumlulaştırma

yükü uyku

çizelgesine göre

önlenebilir.

Düşük çıkış, paket

dinleyen düğüme

yönlendirilmemişse

gereksiz dinleme

ve çarpışmaya

sebep olabilir.

Normal trafik

uygulamaları

için iyi.

T-MAC [9] CSMA /

Zamanlama

Yok Paketler patlama

şeklinde

gönderilir, daha

iyi gecikme,

değişken yükler

için daha iyi sonuç

verir.

Uyku problemleri

var.

Trafik

durumundaki

değişikliklere

göre uyumlu.

B-MAC

[10]

CSMA /

Zamanlama

Yok Basitlik, iyi paket

ulaştırma oranı,

yüksek çıkış,

düşük haberleşme

yükü.

Gereksiz dinleme

problemi

çözülmedi, uzun

başlangıç verisi

güç tüketimini

arttırır.

Normal trafik

uygulamaları

için iyi.

P-MAC[14] CSMA /

Dinleme

Yok Yüksek çıkış Değişikliklere

uyum yavaş

olabilir

Gecikmeye

hassas

uygulamalar

için iyi.

D-MAC[15] CSMA /

Zamanlama

Yok Gecikme

performansı iyi,

enerji verimli

Çakışma engelleme

kullanılmamış,

çarpışmalar olabilir

Düşük

gecikmeli

uygulamalar

için iyi

WiseMAC

[11]

Np-CSMA /

Dinleme

Yok Hareketlilik

desteği, trafik

yüküne göre

uyarlanabilir ve

ölçeklenebilir.

Merkezi olmayan

uyu-dinle

zamanlaması farklı

uyuma ve uyanma

zamanlarına sebep

Normal trafik

uygulamaları

için iyi.

olabilir.

PACT [12] TDMA /

Pasif

Kümeleme

Yok Düşük haberleşme

yükü, uzun ağ

ömrü

Yüksek trafik yükü

ve boşta dinleme,

dinamik ağ desteği

eksikliği

Düşük

gecikmeli

uygulamalar

için iyi

LEACH

[13]

TDMA/

Kümeleme

Var Dağıtık protokol,

ana istasyondan

kontrol bilgisi

gelmesine ihtiyaç

duymaz.

Dinamik

kümeleme için

fazladan yük.

VAA

koordinatörü

küme lideri

gibi hareket

edebilir.

FLAMA

[16]

TDMA /

Zamanlama

Var Düşük gecikme,

daha iyi uçtan uca

güvenilirlik,

önemli enerji

tasarrufu

Çoklu kanal

desteği eksikliği,

senkronizasyon

gerektirir.

Normal trafik

uygulamaları

için iyi.

HEED [17] TDMA /

Kümeleme

Var Düşük haberleşme

yükü,

ölçeklenebilir ve

uzatılmış ağ ömrü

Küme liderlerinin

optimal olmasını

garantilemez

VAA

koordinatörü

küme lideri

gibi hareket

edebilir.

VAA’lar İçin TDMA Bazlı, Çok Kanallı, Enerji Verimli MAC Tasarımı

Şekil 2 Önerilen VAA altyapısı

Önerilen yapıyla birlikte birbirleriyle girişim yapacak kadar yaklaşan VAAlar bu durumu tespit

ederek VAA haberleşmesi için müsait boş bir kanal araştırılır ve böylece veri paketlerinin çakışması

önlenmeye çalışılır.

VAA lider düğümleri için Merkezi düğüme gönderim ve alım frekansı sabittir ve değişmez. Lider

düğümlere ait zaman boşlukları merkezi düğüm tarafından düğüm tipine göre belirlenir. Bu esnada

herhangi bir çekişme durumu olmaz. VAA’lar için belirlenecek zaman boşluğu sayısı sabittir fakat

bir VAA ardışık olmayan birden fazla zaman boşluğunda gönderim yapabilir. Servis kalitesinin

sağlanabilmesi amacıyla düğüm tiplerine göre bir VAA için birden fazla zaman boşluğu tahsis

edilebilir.

Önerilen mimarinin temel amacı VAA’lara ait düğümler birbirlerine girişim yapacak kadar

yaklaşsalar dahi iletişimin aksamaması ve veri alımı/gönderimi sırasında harcanan enerjinin en aza

indirilmesidir.

Enerji verimliliğinin sağlanabilmesi için gereksiz gönderimlerin ve dinlemelerin önlenmesi

gerekmektedir. Bu sebeple TDMA yapısı tercih edilmiştir. Örneğimizde biyomedikal verilerin

toplanması istendiğinden her bir tıbbi veriyi elde etmek ve göndermek amacıyla aynı fiziksel yapıya

sahip MICAz düğümlerinden yararlanılırken farklı tıbbi verilerin ölçümü için farklı algılayıcı

(sensör) yapıları kullanılmaktadır.

VAA Kullanım Senaryosu: Sağlık verileri izlenmek istenen kişiler, üzerlerinde her biri farklı

sağlık verisi ölçümü yapan MICAz düğümleri taşımaktadırlar. Bireylerin hareketli olduğu ve tüm

bilgilerin tek bir noktada (Genel Toplayıcı Merkez Düğüm - GTMD) toplandığı kabul edilmektedir.

Tüm bireylerin GTMD’den veri kayıpsız haberleşme sağlayabilecek kadar uzakta bulunabileceği

varsayılmaktadır. Bir bireyin üzerinde birden fazla düğüm bulunabilir, bu düğümlerden sadece biri

doğrudan GTMD ile haberleşebilir. Doğrudan GTMD ile haberleşebilen düğüme lider düğümü

denir. Lider düğüm GTMD ile haberleşirken haberleşme mesafesinin uzayabilmesi ve veri

kayıplarının olmaması için en yüksek gönderim gücünde gönderim yapar. Diğer düğümlerse sadece

lider düğümle haberleşebilecek güçte gönderim yapmaktadırlar. Takip edilen her bir birey için bir

kimlik numarası atanmıştır ve bu numara VAA_ID ile gösterilir. Her düğümün VAA_ID bilgisi veri

toplama başlatılmadan önce tanımlanmıştır.

Lider düğümler ile GTMD arasındaki haberleşme kanalı sabittir ve değişmez. Lider düğüm ile aynı

VAA içerisinde yer alan düğümlerin haberleşme kanalı haberleşme çevrimleri sonunda kontrol

edilir, eğer kullanılan kanal boş değil ise boş olduğu tespit edilen başka bir kanala geçilerek

haberleşme sürdürülür. Böylece üzerlerinde birçok düğüm taşıyan bireyler birbirlerine girişim

yapacak kadar yaklaştıklarında dahi farklı kanalları kullanacaklarından farklı VAA’lar içerisinde

bulunan veri paketi çakışmaları, dolayısıyla veri kayıpları, en aza indirilmiş olur.

Her bir düğüm farklı büyüklükleri ölçmekle beraber fiziksel olarak (kullanılan pil gücü, gönderim

ve alım güçleri vb.) eş özelliklere sahiptir. MICAz düğümleri teknik olarak 16 farklı kanalda aynı

anda olmamakla birlikte gönderim ve dinleme (half dublex çalışma) yapabilmektedirler.

Kablosuz ağlardaki en büyük sorunlardan biri pek çok kablosuz cihazın aynı kanalda veri

göndermeye çalışması ve sinyaller arasında girişimin meydana gelmesidir. Bunu önlemenin yaygın

metotlarından biri donanım izin verdiği ölçüde dinleme ve göndermenin farklı kanallardan

yapılmasıdır. Önerilen MAC tasarımında, birbiriyle girişimde bulunan her bir bireye ait ağ için,

farklı haberleşme kanalı kullanımı ön görülmektedir. Böylece VAA’lar arası eş zamanlı paket

gönderimi sırasında frekans girişimi sebebiyle meydana gelebilecek veri kayıplarının önlenmesi

amaçlanmaktadır.

Düğüm Tiplerinin Belirlenmesi

Bir birey üzerinde bulunan her bir düğüm farklı bir sağlık verisini ölçer ve sadece kendi VAA

liderine gönderir. VAA içerisinde yer alan her bir düğüm, ölçtüğü verinin kritikliğine göre

birbirinden farklı düğüm tipine sahiptir. Düğüm tipleri tamamen ölçülen sağlık verisine ve verinin

kritiklik derecesine göre belirlenmektedir. Örneğin nabız ölçümü yapan düğümün tipi 1 iken, vücut

sıcaklığını ölçen düğümün düğüm tipi 3 olabilir. Önerilen yaklaşımda düğüm tipi en düşük değerli

düğümün servis kalitesine en fazla ihtiyaç duyan düğüm olduğu kabul edilmektedir. Bir VAA

içerisinde aynı düğüm tipine sahip iki düğüm yer alamaz.

VAA Liderinin Tespiti

Eş zamanlı olarak başlatılmış düğümler içerisinde hangisinin düğüm lideri olacağı düğüm tipine

bakılarak karar verilir ve en düşük değerli düğüm tipine sahip düğüm o çevrim için lider olarak

seçilmiş olur. Sonraki çevrimler içinse VAA içerisindeki düğümlerin enerji seviyeleri ve daha önce

kaç kez VAA lideri olduklarına bakılır. Enerji seviyesi en üst düzeyde olan düğüm lider olarak

belirlenir. Eğer aynı enerji seviyesinde birden fazla düğüm varsa en az liderlik yapmış olan düğüm

VAA lideri olarak tespit edilir.

VAA Liderinin Değişimi

VAA lideri olan düğüm, belli sayıda çevrim gerçekleştirdikten sonra VAA lider tespit kriterlerine

(enerji seviyesi ve liderlik sayısı) göre kendisinden sonra gelecek lider düğümü tespit eder ve bir

sonraki çevrimde yeni lider diğer düğümlerin gönderdiği mesaj paketlerini dinleyerek Genel

Toplayıcı Merkezi Düğüme iletir.

Boş Kanalın Tespit Edilmesi

Bir haberleşme kanalının boş olup olmadığının tespit edilebilmesi için LBT (Listen Before

Transmit) tekniği kullanılır. Buna göre bir düğüm yeni bir kanalda gönderim yapmadan önce

haberleşme yapılmak istenen kanalı belirli bir süre için dinler ve mesaj trafiğini inceler. Önerilen

mesajlaşma mimarisinde veri gönderimi sırasında VAA_ID bilgileri de gönderilmektedir. Böylece

aynı kanalda konuşma yapan VAA sayısı kolayca tespit edilmiş olur ve haberleşme devam ediyorsa

bir başka kanal dinlenmeye başlanır.

VAA Yapısının Kurulması ve Haberleşmenin Başlatılması

Uyanan ilk düğüm öncelikle ilk çevrim için içinde bulunduğu VAA’nın lideridir ve kendi düğüm

tipini, VAA_ID bilgisini ve düğüm kimlik numarasını içeren mesajları düşük gönderim gücünde

ortama yayar gelen cevapları dinler. Eğer kendisi ile aynı VAA_ID sine sahip düğüm var ise ve

aynı kanalda bir başka düğüm haberleşmiyorsa iletişim başlatılır.

Mesaj gönderim sıralaması düğüm tipine göre yapılır, düğüm tip numarası en küçük olan en önce

gönderim yapar. Böylece aynı VAA içerisinde yer alan tüm düğümler VAA içerisinde kaç düğüm

dolduğunu ve bunların düğüm tiplerini bildiklerinde kendi gönderim sıralarını da biliyor olurlar.

Tüm düğümler sağlık verisi ölçümü yaptıktan sonra bu bilgileri o anda belirlenmiş olan Lider

Düğüm’e TDMA mekanizmasına göre iletirler. Lider düğüm gelen verileri bir kuyruğa yerleştirir ve

GTMD gönderim sırasının kendisine gelmesini bekler. Gönderim sırası geldiğinde kuyrukta

birikmiş olan bilgileri GTMD’ye gönderir ve sonrasında kendi VAA’sı içerisinde yer alan

düğümlere yeni liderin ID bilgisini yayınlar. Yeni lider kendi VAA’sı içerinde yer alan diğer

düğümlerden verileri alır ve GTMD’ye göndermek üzere kuyrukta bekletir ve GTMD tarafından

gönderilecek kılavuzu beklemeye başlar.

VAA İçi Mesajlaşma Paket Yapısı

VAA Lider Düğüm Mesajlaşma Paket Yapısı

………………..…..

GTMD’nin VAA Zaman Dilimlerini ve Gönderim Sıralamasını Belirlemesi

VAA ID Düğüm ID Düğüm Tipi

Enerji Seviyesi

CRCBilgisi

Liderlik Sayısı

Sağlık Verisi

VeriDüğüm ID

VeriDüğüm ID

VAA ID

VeriDüğüm ID

CRCBilgisi

Zaman Dilimi

Dağıtımı

VAA1 VA

A2

Kontrol Zaman Dilimi K

ılavu z Süper Çerçeve

Süper Çerçeve

Merkezi Düğüm

VAA1

VAA2

VAA3

VAA3

Lider Düğüm Sinyal Gönderimi (0 dBm) Üye Düğüm Sinyal Gönderimi (-10 dBm)

GTMD öncelikle bir kılavuz gönderir ve tüm liderlerin kendisini dinlemesini sağlar. Kılavuzu alan

VAA lider düğümleri kontrol zaman dilimi boyunca gönderim sırası alabilmek için öncelikle

kanalın boş olup olmadığını kontrol ederek kendi VAA ID bilgilerini gönderirler. Kontrol zaman

dilimi sonunda GTMD başvuru sıralamasına göre lider düğümlere gönderim sıralarına dair sırlama

bilgisini gönderir. Gönderim sırasını öğrenen lider düğüm kendi sırası gelene dek GTMD ile aynı

kanalda mesaj alış verişini durdurur ve beklemeye geçer.

Acil Durum Kanalı

Kritik sağlık verilerini ölçen düğümler acil müdahaleyi gerektiren durumlarda (nabzın durması, aşırı

yükselmesi ve düşmesi, sıcaklığın aniden artışı vb.) yüksek sinyal gönderim gücünde GTMD ile

acil durum kanalı üzerinden haberleşme yapabilir. Böylece normal çalışma zamanlarında

kullanılmayan ve acil durumlar için tahsis edilmiş olan bir haberleşme kanalı oluşturulmuş olur.

GTMD, lider düğümler ve üye düğümler arasındaki mesajlaşma trafiği şekil 3’de görülmektedir.

Şekil 3. GTMD, lider düğümler ve üye düğümler arasındaki mesajlaşma trafiği

E

H

E

H

H

E

E H

BAŞLA

Bu düğüm Küme Lideri

mi?

Sağlık verisi ölçümü yap

Diğer düğümlerin Düğüm Tiplerini ve çevrime katılım

isteklerini al

Düğüm Tipine göre veri gönderme sıralaması yap

Veri gönderim sıralamasını diğer düğümlere gönder

Düğümlerin gönderdiği verileri kuyrukta biriktir.

Kanalda çakışma var

mı? Kanal değiştir

Merkez Düğüme

Gönderim sırası

geldimi?

Kuyruktaki verileri yüksek güçte Merkez Düğüme gönder

Enerji seviyesi ve liderlik sayısına göre yeni lideri belirle

Yeni çevrim başlat

Gönderim sırası geldi

mi?

Bekle

Veriyi düşük güçte lider düğüme gönder

Gönderim sırasını öğren

Bekle

Şekil 4. Düğüm proses akış şeması

Önerilen MAC Modelinin OPNET Benzetimi

Üzerinde çalışılan MAC modeli için öncelikle OPNET Modeler programı kullanılarak bir

benzetim modeli geliştirilmesi üzerinde çalışılmaktadır. Şekil 5 de bir birey üzerinde yer alacak

olan düğümler temsil edilmektedir. Şekil 6 ve Şekil 7 de sırasıyla ağda yer alacak düğümlerin

MAC katmanlarında kullanacakları düğüm ve işlem modelleri görülmektedir.

Şekil 5. Örnek model çalışması için belirlenmiş düğümler

Şekil 6. Geliştirilen modele ait MAC katmanı düğüm modeli

Şekil 7. Örnek model için geliştirilmiş MAC katmanı işlem modeli

SONUÇ VE GELECEK ÇALIŞMA

An itibariyle bir VAA için çok kanallı, enerji verimli bir MAC katmanı geliştirmek amacıyla

OPNET Modeler programı üzerinde benzetim modeli geliştirme ve değerlendirme çalışmalarımız

devam etmektedir. Model çalıştırıldıktan sonra 802.15.4, S-MAC, T-MAC gibi benzer ve standart

MAC yapıları ile kıyaslaması yapılarak, özellikle düğümler hareketli olduklarında meydana

gelebilecek paket çakışmalarının karşılaştırılması yapılacak, böylece yeni modelin üstün olan ve

olmayan yönleri benzetim sonuçları eşliğinde ortaya konacaktır. Modelin teorik olarak

geliştirilmesinin ardından gerçek hayatta çalışmasını gözlemlemek ve sonuçları değerlendirmek

amacıyla, TinyOS işletim sistemi kullanılarak, MICAz düğümleri ile gerçeklemesine çalışılacaktır.

ÇALIŞMA TAKVİMİ

Planlanan Çalışma Gerçekleştirilenler

1. Altı Aylık Literatür taraması, inkübatöre ait teknik

bilgilerin elde edilmesi, yenidoğan

fiziksel ortam (sıcaklık ve nem) ilişkisi.

Literatür taraması, inkübatöre ait

teknik bilgilerin elde edilmesi,

yenidoğan fiziksel ortam (sıcaklık

ve nem) ilişkisi.

2. Altı Aylık Kablosuz Algılayıcı Ağlar, haberleşme

omurgasının kurulması, TinyOS

programlama, MAC katmanının

tasarımı.

VAA’lar için çok kanallı, enerji

verimli yeni bir MAC katmanı

tasarlanması ve modellenmesi.

3. Altı Aylık Sistem kurulumu, kullanıcı arayüzünün

geliştirilmesi.

-

4. Altı Aylık Sistemin test edilmesi ve

değerlendirilmesi, alınan dönütler

doğrultusunda çalışmanın

sonuçlandırılması.

-

KAYNAKLAR:

[1] C.Çiftlikli, A. T. Tuncer, A. T. Özşahin, S. M. Yesbek “Uzaktan Bakım Hizmeti Verilmesinde Yeni Kablosuz İletişim Ve Bilişsel Radyo Teknolojilerinin Önemi”, ELECO'2008 Elektrik - Elektronik - Bilgisayar Mühendisliği Sempozyumu, 2008.

[2] Latré, B., Braem, B., Moerman, I., Blondia, C., & Demeester, P. (2010). “A survey on wireless body area networks. Wireless Networks,” 17(1), 1-18. Springer Netherlands.

[3] M.R. Yüce,2010, “Implementation of Wireless Body Area Networks For Healthcare Systems”, Sensors and Actuators A:Physical, DOI: 10.1016/j.sna.2010.06.004, 2010.

[4] Chen, M., Gonzalez, S., Vasilakos, A., Cao, H., & Leung, V. C. M. (2010). “Body Area Networks: A Survey. Mobile Networks and Applications,” 16(2), 171-193.Kluwer Academic Publishers.

[5] H. C. Keong, M. R. Yüce, “Analysis of a Multi-Access Scheme and Asynchronous Transmit-Only UWB for Wireless Body Area Networks”, pp 2200-2203, Microwave Conference, 2009. APMC 2009. Asia Pacific

[6] Y. Zhang, K. Chakrabarty, “Macromodeling of Battery Discaharge and Recovery for Mobile Embedded Systems”, Proc. Army Science Conference, Paper ID: FP-06, 2002.

[7] S. Anand Gopalan, “Energy-efficient MAC protocols for wireless body area networks: Survey,” International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems, pp. 739-744, 2010.

[8] W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, “An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks”, In Proceedings of the IEEE Infocom, New York, USA, pp. 1567-1576, Jun. 2002.

[9] T. Van Dam and K. Langendoen, “An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks”, In ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys), Los Angeles, USA, pp. 171-180, Nov. 2003.

[10] J. Polastre, J. Hill, and D. Culler, “Versatile low power media access for wireless sensor networks”, In ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (Sensys), Baltimore, Maryland, USA, pp. 95-107, Nov. 2004.

[11] A. El-Hoiydi, J.D. Decotignie, and J. Hernandez, “Low power MAC protocols for infrastructure wireless sensor networks”, In Proc of the fifth European Wireless Conference (EW’04), Barcelona, Spain, pp. 563-569, Feb. 2004.

[12] G. Pei and C. Chien, “Low power TDMA in large wireless sensor networks”, IEEE Military Communications Conference (MILCOM), pp. 347-351, Oct. 2001.

[13] W.B.Heinzelman, A. P. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, “An application-specific protocol architecture for wireless microsensor networks”, IEEE Transactions on Wireless Communications. vol. 1, no. 4, pp. 660-670, Oct 2002.

[14] Khan, N.P.; Boncelet, C., “PMAC: Energy efficient medium access control protocol for wireless sensor networks”, In Proceedings of IEEE Military Communications Conference, Washington, DC, USA, 2006;pp.1-5, 23-25.

[15] Lu, G.; Krishnamachari, B.; Raghavendra, C, “An Adaptive Energy-Efficient and Low-Latency MAC dor Data Gathering in Sensor Networks”, In Proceedings of the 4th International Workshop on Algorithms for Wireless, Mobile, Ad Hoc and Sensor Networks, Santa Fe, Mexico, 2004.

[16] V. Rajendran, J.J. Garcia-Luna-Aveces, and K. Obraczka, “Energy-efficient, application-aware medium access for sensor networks”, In Proceedings of 2nd IEEE Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems Conference, Washington, DC, USA,Dec. 2005.

[17] O. Younis and S. Fahmy, “HEED: A hybrid, energy-efficient, distributed clustering approach for adhoc sensor networks”,IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 3, no. 4, pp. 366-379, Oct. 2004.