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Abstrakt in Englisch

A novel field of application of radio technologies in the medical sector are Wireless Body Sensor Networks (WBSN). A WBSN is a wireless network made of small, light and unobtrusive sensor nodes which are attached to the human body. These sensors permanently record vital signs like heart rate, Electrocardiogram (ECG), SPO2, Electroencephalogram (EEG), respiration rate, body temperature or activity. WBSNs can be used to monitor the medical condition of patients over a long time with high accuracy. One of the main problems when designing WBSNs is the energy consumption of popular radio communication technologies like WiFi, Bluetooth or ZigBee. In the application scenario of WBSNs, the available energy is the limiting factor since the improvement of battery technologies cannot keep up with the increasing energy demands for radio communication and algorithms. The task of the WBSN designer is to find a reasonable compromise between functionality, usage duration and node size. This has to be done again and again for each new use case, combination of sensors or protocol to find an optimum. Today, no tools exist to support the network designer with this task. Therefore, this work presents a general framework for the development and optimization of application specific WBSNs. It provides a set of tools consisting of a hardware platform, general design concepts, firmware libraries, application software and a special simulation environment to support the network designer’s work. The most valuable tool is the network simulation framework. Network simulations are essential when designing and implementing application specific WBSNs. They can be utilized to simplify protocol design and verification without the time consuming processes of firmware implementation, test-bed setup and verification on the physical WBSN nodes. A detailed simulation of the network behavior helps the system designer to decide between different strategies of operation and find performance bottlenecks or design weaknesses that are hard to analyze in a deployed system. The simulation framework relies on a very detailed model of the transceiver circuit. This model is based on high resolution measurements of the real hardware in different operating conditions. The presented frameworks supports network designers by providing a set of tools to implement and optimize application specific WBSNs. This reduces the development time and costs and leads to smaller devices with lower energy consumption that can be used in novel long term monitoring concepts. Finally, several simulations and measurements show, that the application specific approach results in systems that use significantly less energy than systems with more frequently utilized technologies (e.g. Bluetooth, ZigBee, WiFi) in typical WBSN scenarios.

Abstrakt in Deutsch

Autonome drahtlose Körpernetzwerke sind neuartige technische Systeme zur Aufzeichnung, Verarbeitung und Überwachung von Vitalparametern am menschlichen Körper. Umgesetzt wird dies durch kleine, verteilt am Körper getragene Sensorsysteme, die Biosignale aufzeichnen, drahtlos miteinander kommunizieren und die gewonnenen Daten unter Umständen direkt am Körper auswerten. Die Vorteile dieser Technik liegen für den Patienten in der großen Bewegungsfreiheit durch Verzicht auf Kabelverbindungen bei gleichzeitig permanenter Überwachung kritischer Vitalparameter. Die Anwendung von Körpernetzwerken stößt auch zunehmend im Privatbereich auf Interesse wenn es darum geht, sportliche Aktivitäten zu dokumentieren und Trainingserfolge auszuwerten (Self Monitoring). Die besondere Herausforderung bei der Entwicklung solcher Systeme sind die begrenzten Energieressourcen. Diese ergeben sich daraus, dass speziell die Sensoren besonders klein und leicht sein müssen, um vom Anwender für eine dauerhafte Nutzung akzeptiert zu werden. Weil für die drahtlose Kommunikation üblicherweise sehr viel Energie notwendig ist, muss ein solches System in diesem Bereich besonders optimiert werden, um ausreichend lange Laufzeiten zu gewährleisten. Funkmodule auf Basis der weit verbreiteten Protokolle WiFi, Bluetooth oder ZigBee sind aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Stromaufnahme, der Protokollkomplexität oder der Ausrichtung auf hohe Datenraten schlecht geeignet. Statt einer solchen Standardlösung wird für diese Arbeit ein besonders energieeffizienter, frei programmierbarer Transceiverschaltkreis eingesetzt. Bisher sind keine Entwurfswerkzeuge verfügbar, die die Entwicklung anwendungsspezifischer drahtloser Körpernetzwerke umfassend unterstützen. Im Speziellen müssen viele Entwurfsentscheidungen ohne objektive Verifikationsmöglichkeit getroffen werden. Gerade für die Umsetzung dieser energetisch sensiblen Systeme ist es jedoch unerlässlich, verschiedene Konzepte und Methoden miteinander zu vergleichen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Konzeption und Umsetzung eines umfassenden Frameworks für die Entwicklung anwendungsspezifischer drahtloser Körpernetzwerke. Einen wesentlichen Schwerpunkt bildet dabei eine Simulationsumgebung auf Basis eines Energiemodells des Transceivers, das aus hochauflösenden Messungen an der Hardware gewonnen wurde. Mit Hilfe der Simulationsumgebung lassen sich nun beliebige Konzepte objektiv hinsichtlich ihrer Energieeffizienz oder anderer Leistungsmerkmale untersuchen und bewerten. Anhand verschiedener Beispiele wird gezeigt, dass die so umgesetzten Lösungen wesentlich weniger Energie benötigen als vergleichbare Realisierungen mit ZigBee oder Bluetooth.