[REDES DE TELECOMINUCACIONES] Lab 11: Aplicación de redes ad hoc

Introducción

El costo de los servicios de salud incrementa conforme pasa el tiempo, ésto crea retos para proveedores de servicio de salud, hospitales, compañías farmacéuticas y desde luego a los pacientes.

Uno de los retos es cómo brindar mejores servicios de salud a un público que incrementa y que depende de recursos limitados. Una solución de interés es la tele-medicina inalámbrica que incluye el monitoreo de pacientes, usando una infraestructura inalámbrica ubicua.

Esto reduciría el costo total de cuidados médicos, para una mejor utilización de los recursos limitados y permitiría incrementar la esperanza de vida de individuos mayores.

Algunas condiciones físicas y psicológicas necesitan ser monitoreadas: presión sanguínea, temperatura, pulso, saturación de oxígeno, heridas en la piel, trastornos de equilibrio, actividad y agitación motora, localización actual, si está o no fumando y cantidad de humedad en la ropa.


Requerimientos y mejoras de confiabilidad

Los requerimientos para el monitoreo de pacientes son diversos y complejos. Los siguientes son algunos requerimientos generales:

• Monitoreo y transmisión de signos vitales: Incluye temperatura, presión sanguínea, ritmo cardiaco, saturación de oxigeno, agitación y actividad motora, etc. Estos involucran un monitoreo periodico para algunos signos vitales.

• Confiabilidad de entrega de datos: Debido a situaciones de riesgo, el envio y recepción de datos es crucial. Algunos factores son alcance de señal del dispositivo, batería, velocidad de datos, protocolo de ruteo, y comportamientos no cooperativos  de otros dispositivos.

• Entrega de datos en tiempo razonable: La red debe entregar datos de los signos vitales en un cierto tiempo determinado por el nivel de emergencia. Los retrasos aumentan conforme el número de pacientes monitoreados aumenta.

• Conservación de energía: El reto es conservar la energía del dispositivo mientras se satisfacen los requerimientos de monitoreo. Los factores influyentes son la potencia necesaria para transmitir datos, número de mensajes que deben ser ruteados, esquema de ruteo.

• Cobertura para pacientes móviles y estáticos: La cobertura de pacientes debe incluir tanto pacientes dentro como fuera de casa, lo que hace difícil el monitoreo para pacientes fuera de casa es la distribución de pacientes que resulta en un esquema de comunicación poco confiable.

• Soporte para diversos dispositivos de batería: Estos dispositivos deben ser utilizados en términos de poder y procesamiento, y el tipo de dispositivo depende de las condiciones físicas de los pacientes.

• Escalabilidad: Los factores influynetes para este epunto son la velocidad de datos, frecuencia de monitoreo y transmisión, y el total de información por paciente. En una red ad hoc la velocidad de datos efectiva decrementa conforme la distancia entre dispositivos debido a:

• Un requerimiento de poder incrementado que excede el disponible.
• Transmisión de errores frecuente, los errores requieren retransmisión.
• Área incrementada donde no hay dispositivos que puedan transmitir hasta que la transmisión actual sea completada.

• Carga cognitiva manejable para los profesionales: Los datos obtenidos por el sistema no deben ser abrumadores para los médicos y profesionales en la salud, es decir, no se deben de llenar de mensajes repetitivos o con información variada. Los dispositivos deben ser capaces de hacer decisiones inteligentes en la selección de datos en cuanto al estado del paciente, y alertar a los médicos cuando haya algo anormal en los datos.

• Privacidad y confidencialidad: Debido a que la información de salud es transmitida por redes inalámbricas, deben existir esfuerzos para mantener esta información confidencial. Se espera que sea un requerimiento crítico para administradores y reguladores de ley.

Protocolos de fiabilidad y conservación de energía

En redes ad hoc, la fiabiidad de la entrega de datos y conservación de energía son puntos conflictivos. Para que haya fiabilidad de entrega sin fallos se necesita incrementar el poder del dispositivo, con la finalidad de encontrar otro nodo y continuar transmitiendo. Este tipo de fiabilidad se puede mejorar utilizando multiples retransmiciones, ruteo, multiples redes ad hoc y un numero incrementela de dispositivos cooperativos.

El nivel de poder detransmición influencía la habilidad del dispositivo para localizar un dispositivo cooperativo y la habilidad de estos dispositivos cooperativos para localizar saltos dentro de la red y continuar ruteando. Consecuentemente la conectividad de la red ad hoc depende del poder de transmisión.

Algunos protocolos para el manejo de energía son:

Protocolo	Fiabilidad	Eficiencia	Saltos	Requerimientos de procesamiento	Adecuado para
MP-MDC (Maximum Power from Patient’s Device and Cooperating Devices)	La más alta (utiliza mucho poder de transmición)	Baja (la batería no durará mientras se utilize el máximo poder)	Los menosposibles (utilizan mucho poder para mejor fiabilidad)	Ninguno (todos los dispositivos transmiten al máximo poder)	Transmisión de signos vitales de emergencia
OP-OCD (Optimal Power from Both Patient and Cooperating Devices)	Alta (especialmente para poca movilidad de dispositivos)	La más alta	Los máximos posibles (utilizan poco poder de transmisión)	Muy altos (para determinar los niveles óptimos de poder)	Transmisión de signos vitales rutinarios
MP-OCD (Maximum from Patient and Optimum from Cooperating Devices)	Muy alta (el máximo poder de los dispositivos incrementa la probabilidad de encontrar un salto.)	La máxima conservación de poder posible	Más que OP-OCD y menos que MP-MDC	Altos (para determinar los niveles óptimos de poder para algunos dispositivos)	Transmisión de signos vitales de poca emergencia
RP-RCD (Random Power from Patient’s Device and Cooperating Devices)	Imprevisible (basada en el poder individual de saltos individuales)	Imprevisible (basada en la suma de todos los niveles de poder)	Imprevisible (basada en el poder individual de saltos individuales)	Bajos (los dispositivos seleccionan un poder de transmisión aleatorio)	No aplica

Mantenimiento asistido de poder y estrategia de sueño

El propósito de los protocolos de conservación de poder puede se combinado con una estrategia de sueño. esto involucra el ahorro de energía en la capa física, y utilizar información de la capa de red y aplicación para crear un balance entre fiabilidad y conservación de energía.

Bajo el ciclo de sueño, los dispositivos pueden despertar periodicamente para verificar cualquier mensaje en espera o acciones por realiazar.

Los siguientes factores de múltiples capas pueden influir en la estrategia de sueño: nivel de conectividad, imparcialidad de las horas de sueño para los dispositivos, conservación de energía, niveles generales de la estrategia del sueño, y movilidad de los pacientes.

El impacto del mantenimiento asistido de poder y estrategia de sueño en la fiabilidad de la red, debe ser cuidadosamente evaluado. A pesar de que estas mejoras aumentan el ahorro de energía de los dispositivos y así mejorar la fiabilidad de las futuras transmisiones a nivel de dispositivo, una mala aplicación podría dar lugar a dificultades de ruteo de mensajes de emergencia debido a un número insuficiente de dispositivos disponibles para el ruteo.

Modelado y evaluación de rendimiento

Para poder evaluar al fiabilidad y los protocolos, se desarrolló un modelo analítico. Este modelo puede estimar la fiabilidad y el poder necesario para cada protocolo. Se extiende para derivar evaluación de rendimiento multimétrica para mensajes normales y de emergencia asistidos y de mantenimiento de poder automático y para varias estrategias de sueño.

Para medir la fiabilidad bajo varias densidaddes y saltos de ruteo, se variaron los saltos de 2 a 10, cambiando la distancia de cobertura por salto. para un número dado de saltos, los dispositivos involucrados transmitieron a un mismo nivel de poder, equivalente a la raíz de la distancia del siguiente salto. Los dispositivos fueron ordenados uniformemente. Al reducir el número de saltos, el poder de transmisión es incrementado en proporción a la raíz de la distancia de cada salto. El incremento resultante tiende a una alta probabilidad de encontrar uno o varios dispositivos cooperativos, por lo tanto mejora la fiabilidad.

Conclusiones

Existen varios retos, como el de soportar un monitoreo fiable utilizando redes ad hoc y como manejar la energía y poder de transmición desde los dispositivos de los pacientes.

Se discutió el diseño de los protocolos para lograr esta fiabilidad presentando el mantenimiento asistido de energía.

Los resultados muestran que los protocolos OP-OCD y MP-MCD son los más destacables, el primero porque logra un mantenimiento de energía, y el segundo por su alta fiabilidad con densidades de dispositivos bajas.

Es importante notar que la estrategia de sueño no es la mejor, pues le afecta en gran medida la cantidad de dispositivos en la red. Si existen muchos dispositivos en red, los tiempos de sueño son reducidos, haciendo que haya poca conservación de energía. Mientras que con pocos dispositivos, los tiempos de sueño son largos y tienden a perder mensajes. La solución propuesta es utilizar estrategias de sueño distintas para cada protocolo de mantenimiento de energía. lo que implica que los dispositivos en una red pueden estar tanto en uno como en otro protocolo en dado momento.

Los dispositivos deben de tomar decisiones inteligentes para el análisis de datos y enviar información relevante dependiendo del estado del paciente, lo que implica que el dispositivo es capaz de entender la situación actual del paciente, por lo tanto el sistema debe tener implementados en sus protocolos, un sistema de prioridad de mensajes, tal que si es una emergencia, el sistema enviará el mensaje con un poder de transmisión mayor al de un mensaje normal.

Referencias:

[1] Upkar Varshney, Sweta Sneha, "Patient Monitoring Using Ad Hoc Wireless Networks: Reliability and Power Management"(articulo en "Quality Assurance and Devices in Telemedicine", IEEE Communications Magazine, Abril 2006)