Quality of Service Provisioning in Biosensor Networks. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF g201103010_Muhammad_Mohsin_Butt.pdf Download (1MB) | Preview

Arabic Abstract

تعتبر شبكات الاستشعار البيولوجي نوع ناشئ من شبكات الاستشعار اللاسلكية والتي تتكون من أجهزة استشعار بيولوجية صغيرة يتم زرعها داخل جسم الإنسان أو الحيوان. يمكن لهذه الشبكات أخذ قياسات من العمليات البيولوجية المختلفة التي تحدث داخل جسم الإنسان وإرسالها إلى قاعدة مركزية من أجل التحليل وأخذ القرارات. يمكن استخدام هذا النوع من الشبكات في تطبيقات طبية مثل الحقن الآلي للأدوية ورصد معدل ضربات القلب و درجة الحرارة. تقوم شبكات الاستشعار البيولوجي برفع درجة حرارة الجسم الداخلية بسبب نقلها للبيانات بطريقة لاسلكية. وكما هو معلوم فقد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة المفرط لتلف الأنسجة الداخلية في الجسم. ويعتبر هذا السبب عائق رئيسي أمام التطبيقات الطبية الحديثة. فمثلاً قد تؤدي فترات التبريد الطويلة بسبب ارتفاع درجة الحرارة لخلل في جودة الخدمة وبالتالي لفشل التطبيق الطبي بالكامل. نقوم في هذا العمل بإقترح نموذج جديد لشبكات الاستشعار البيولوجي والذي يأخذ بعين الاعتبار السلوك العشوائي لوصول البيانات والقناة اللاسلكية بين الشبكة والقاعدة المركزية. يمثل حل النموذج الرياضي المقترح الطريقة المثلى التي يجب اتباعها عند تشغيل هذا النوع من الشبكات داخل جسم الإنسان. وتتغلب طرق التشغيل المثلى على الطرق التي تعتمد على الإرسال الدائم للبيانات أو تلك التي لاتأخذ بعين الإعتبار عشوائية وصول البيانات داخل الشبكة. وتحافظ ايضا على مستوى معقول من جودة الخدمة.

English Abstract

Biosensor networks is an emerging field of Wireless Sensor Networks (WSN) that consists of small biological sensors that are implanted inside the body of the subject. These biosensor nodes can take measurements of various biological processes occurring inside the subject and report back to the Base Station (BS). The BS is responsible for taking necessary actions based on the received data. Biosensor networks find there use in different medical processes like automated drug delivery, heart beat rate monitoring, and temperature sensing etc. Wireless transmissions in biosensor networks produce heat in the surrounding tissues of the subject in which they are implanted. The heating effect is cancelled by the thermoregulatory system of the subject. However, excessive transmissions can cause the tissue damage due to reduced blood flow. Hence, there is a need to control these wireless transmissions to prevent damage to the tissues of the subject. Another important parameter for biosensor networks that has not been discussed before is the Quality of Service(QoS). Different medical operations require different QoS requirements which the biosensor networks need to provide. In this work, we propose a new model for biosensor networks that takes into consideration the buffer occupancy of a biosensor node alongside changing wireless channel statistics. Based on this model, we develop optimal transmission policies that maximize the average transmission rate and minimize the average transmission power under different QoS constraints like average delay and average loss rate etc. Temperature increase caused by excessive transmissions is controlled using two different models, the average thermal increment model and the strict temperature model. The system is analysed using Markov Decision Processes (MDP) and solved using Linear Programming (LP) approach. The optimal policies calculated are then compared with a greedy policy for performance analysis. The optimal policies outperform the greedy policy in both the network lifetime and transmission rate objectives. The thermal behaviour of the optimal policies for the two models is also discussed at the end. This work provides a new approach for QoS provisioning in biosensor networks while ensuring the tissues of the subject remain in the safe operating region.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer Engineering
Department:	College of Computing and Mathematics > Computer Engineering
Committee Advisor:	Osais, Yahya
Committee Members:	Mahmoud, Ashraf and Sheltami, Tarek
Depositing User:	BUTT MUHAM MOHSIN (g201103010)
Date Deposited:	20 Jan 2014 08:38
Last Modified:	01 Nov 2019 15:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139065